LDO 的运行困境：低裕量和最小负载

基于深亚微米工艺的最新千兆级模拟电路对电源电压的要求越来越低，在有些情况下，还不到1 V。这些高频电路往往需要较大的供电电流，因此，可能在散热方面存在困难。设计目标之一是使功耗降至电路性能绝对需要的水平。

开关模式DC-DC转换器是最高效的电源，有些器件效率可超过95%，但其代价是电源噪声，通常在较宽带宽范围内都存 在噪声问题。通常用低压差线性调节器(LDO)清除供电轨中的噪声，但也需要，在功耗和增加的系统热负荷之间做出权衡。为了缓解这些问题，使用LDO 时，可使输入和输出电压之间在较小的压差（裕量电压）本文旨在讨论低裕量电压对电源抑制和总输出噪声的影响。

LDO电源抑制与裕量
LDO 电源抑制比(PSRR)与裕量电压相关——裕量电压指输入与输出电压之差。对于固定裕量电压，PSRR随着负载电流的提高而降低，大负载电流和小裕量电压条件下尤其如此。图1所示为ADM7160超 低噪声、2.5V线性调节器在200mA 负载电流和200mV、300mV、500mV 和1V 裕量电压条件下的PSRR。随着裕量电压的减小，PSRR也会减小，压差可能变得非常大。例如，在100kHz下，裕量电压从1V 变为500 mV，结果将使PSRR减少5dB。然而，裕量电压的较小变化，从500mV 变为300mV，结果会导致PSRR下降18dB 以上。

图1. ADM7160 PSRR与裕量

图2 显示了LDO 的框图。随着负载电流的增加，PMOS 调整元件的增益会减小，它脱离饱和状态，进入三极工作区。结果使总环路增益减小，导致PSRR下降。裕量电压越小，增益降幅越大。随着裕量电压继续减小到一个点，此时，控制环路的增 益降至1，PSRR降至0dB。

导致环路增益减小的另一个因素是通路中元件的电阻，包括FET的导通电阻、片内互连电阻和焊线电阻。可以根据压差推算 出该电阻。例如，采用WLCSP封装的ADM7160在200mA下的最大压差为200mV。利用欧姆定律，调整元件的电阻约为1Ω，可以把调整元件近似 地当作固定电阻与可变电阻之和。/p>

流过该电阻的负载电流导致的压差减去FET的漏极源极工作电压。例如，在1 Ω FET条件下，200 mA的负载电流会使漏极源极电压下降200 mV。在估算裕量为500 mV或1 V 的LDO的PSRR 时，必须考虑调整元件上的压差，因为调整FET的工作电压实际上只有300 mV或800 mV。

图2. 低压差调节器的框图

容差对LDO裕量的影响
客户通常要求应用工程师帮助他们选择合适的LDO，以便在负载电流Z 条件下从输入电压Y产生低噪声电压X，但在设置这些参数时，往往忽略了输入和输出电压容差这个因素。随着裕量电压值变得越来越小，输入和输出电压的容差可 能对工作条件造成巨大的影响。输入和输出电压的最差条件容差始终会导 致裕量电压下降。例如，最差条件下的输出电压可能高1.5%，输入电压可能低3%。当通过一个3.8 V源驱动3.3 V的调节器时，最差条件裕量电压为336.5 mV，远低于预期值500 mV。在最差条件负载电流为200 mA的情况下，调整FET 的漏极源极电压只有136.5 mV。在这种情况，ADM7160 PSRR可能远远低于标称值55 dB（10 mA时）。

压差模式下的LDO的PSRR
客户经常会就LDO在压差模式下的PSRR请教应用工程师。开始时，这似乎是个合理的问题，但只要看看简化的框图，就知道这个问题毫 无意义。当LDO工作于压差模式时，调整FET 的可变电阻部分为零，输出电压等于输入电压与通过调整FET 的RDSON的负载电流导致的压降之差。LDO不进行调节，而且没有增益来抑制输入端的噪声；只是充当一个电阻。FET的RDSON与输出电容一起形成一 个RC滤波器，提供少量残余PSRR，但一个简单的电阻或铁氧体磁珠即可完成同一任务，而且更加经济高效。

在低裕量工作模式下维持性能
在低裕量工作模式下，需要考虑裕量电压对PSRR的影响，否则，会导致输出电压噪声水平高于预期。如图3 所示的PSRR与裕量电压关系曲线通常可在数据手册中找到，而且可以用来确定给定条件下可以实现的噪声抑制量。

图3. PSRR与裕量电压的关系

然而，有时候，通过展示LDO的PSRR如何有效滤除源电压中的噪声，可以更加容易地看到这种信息的利用价值。下面的曲线图展示了LDO在不同裕量电压下时，对总输出噪声的影响。

图4 展示的是2.5 V ADM7160在500 mV裕量和100 mA负载条件下，相对于E3631A台式电源的输出噪声，该台式电源在20 Hz至20 MHz范围内的额定噪声低于350 μV-rms。1 kHz以下的许多杂散为与60 Hz线路频率整流相关的谐波。10kHz以上的宽杂散来自产生最终输出电压的DC-DC转换器。1 MHz以上的杂散源