LDO基础知识:电源抑制比的作用及影响因素

在电子产品设计中,低压差线性稳压器(LDO)是最常用的电源芯片之一,经常用在开关电源的后级。大家有没有想过为什么将 LDO 用在开关电源的后级呢?其实最主要的原因就是 LDO 可以衰减开关电源产生的纹波,而衰减开关电源纹波的主要参数就是 LDO 电源抑制比——PSRR。

一、什么是 LDO 的 PSRR?

PSRR 是 LDO 的主要参数之一,在各厂商 LDO 的数据手册中都可以找到这一参数,PSRR 规定了在某个频率下叠加的交流信号从 LDO 输入到输出的衰减程度。PSRR 的为:

LDO基础知识:电源抑制比的作用及影响因素

该公式的含义是衰减越高,PSRR 值就越高。(注意:有些供应商会使用负号来表示衰减)

接下来看一下如何使用 PSRR 参数来减小开关电源的纹波。

二、LDO PSRR 的作用及如何确定

如图 1 所示,是电子产品中常见的电源拓扑结构——开关电源 + LDO,开关电源(Buck 电路)将 12V 输入电源降压为 4.3V,纹波达到±50mV;LDO(TPS717)则进一步调节输出电压为 3.3V。LDO 的 PSRR 将决定 3.3V 输出电压的纹波。

LDO基础知识:电源抑制比的作用及影响因素
图 1 使用 LDO 来过滤开关噪声

根据 LDO PSRR 的定义,为了确定输出纹波的衰减程度,首先要确定开关电源输出纹波的频率。假设这个例子频率为 1MHz,需查看 LDO 的 PSRR-频率曲线,如图 2 所示。

LDO基础知识:电源抑制比的作用及影响因素
图 2 VIN – VOUT = 1V 时,TPS717 的 PSRR 曲线

在下列条件下,1MHz 时的 PSRR 指定为 45dB:

  • IOUT = 150mA
  • VIN – VOUT = 1V
  • COUT = 1μF

在这种情况下,45dB 相当于 178 的衰减系数,可以计算出 LDO 输入端的±50mV 纹波在输出端被压缩至±281μV。

三、影响 LDO PSRR 的因素

3.1 VIN – VOUT 对 LDO PSRR 的影响

假设将 VIN – VOUT 降至 250mV,这时需要查看图 3 中的曲线。

LDO基础知识:电源抑制比的作用及影响因素
图 3 VIN – VOUT = 0.25V 时,TPS717 的 PSRR 曲线

可以看到,在其他条件保持不变的情况下,1MHz 时的 PSRR 降至 23dB,也就是衰减系数为 14。这是由于 LDO 内部的 CMOS 元件进入线性区域,也就是说,随着 VIN – VOUT 接近 LDO 的内部压差,PSRR 开始下降。

LDO 内部压差,是指 LDO 的内阻与输出电流的乘积(当然还有其他影响因素),降低内部压差有助于提高 LDO 的 PSRR,进一步来说,减小输出电流有助于提高 LDO 的 PSRR。

3.2 输出电容对 LDO PSRR 的影响

改变输出电容也会影响 LDO 的 PSRR,如图 4 所示。

LDO基础知识:电源抑制比的作用及影响因素
图 4 VIN – VOUT = 0.25V,COUT =10μF 时,TPS717 的 PSRR 曲线

将输出电容从 1μF 增加到 10μF,VIN-VOUT 仍保持在 250mV,1MHz 时的 PSRR 增加到了 42dB。曲线中的高频峰已经向左移动,这是由于输出电容器的阻抗特性导致的。通过适当调整输出电容的大小,可以提高衰减系数。

3.3 其他影响因素

通过调整 VIN – VOUT 和输出电容,就可以改善特定应用的 PSRR。除此之外,还有其他的影响因素。各种因素的汇总如表 1 所示。

参数PSRRPSRRPSRR
频率低频
(<1kHz)
中频
(1kHz – 100kHz)
高频
(>100kHz)
VIN – VOUT++++++++
输出电容器(COUT)没有效果++++
降噪电容器(CNR)++++没有效果
前馈电容(CFF)++++++
PCB 布局+++++
表 1:影响 LDO PSRR 的因素

表中“+”代表正向影响程度。

关于 LDO PSRR 的更多信息,也可以参考 TI 的官方文档:LDO PSRR Measurement Simplified

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