【導(dǎo)讀】在復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源管理單元的效能與可靠性直接決定了整體性能的邊界。其中，實(shí)現(xiàn)從輸入電壓到輸出電壓的精準(zhǔn)、高效與穩(wěn)定控制，是工程師面臨的核心挑戰(zhàn)之一。本文將聚焦于一種先進(jìn)的解決方案——電壓輸入至輸出控制（VIOC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)巧妙融合了具備VIOC特性的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）與開關(guān)穩(wěn)壓器，不僅能夠顯著優(yōu)化功耗、抑制噪聲，還能在動(dòng)態(tài)與故障條件下為系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)保護(hù)。本系列文章的第一部分，將為您快速解析VIOC系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，并提供具體的器件選型與設(shè)計(jì)實(shí)施指南，為構(gòu)建更穩(wěn)健、高效的電源鏈路奠定基礎(chǔ)。
摘要
在復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源管理單元的效能與可靠性直接決定了整體性能的邊界。其中，實(shí)現(xiàn)從輸入電壓到輸出電壓的精準(zhǔn)、高效與穩(wěn)定控制，是工程師面臨的核心挑戰(zhàn)之一。本文將聚焦于一種先進(jìn)的解決方案——電壓輸入至輸出控制（VIOC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)巧妙融合了具備VIOC特性的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）與開關(guān)穩(wěn)壓器，不僅能夠顯著優(yōu)化功耗、抑制噪聲，還能在動(dòng)態(tài)與故障條件下為系統(tǒng)提供堅(jiān)實(shí)保護(hù)。本系列文章的第一部分，將為您快速解析VIOC系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，并提供具體的器件選型與設(shè)計(jì)實(shí)施指南，為構(gòu)建更穩(wěn)健、高效的電源鏈路奠定基礎(chǔ)。
引言
在電源管理領(lǐng)域，低壓差(LDO)穩(wěn)壓器對(duì)確保電子元器件獲得高性能電源起著關(guān)鍵作用。LDO的低噪聲性能至關(guān)重要，尤其是在精密模擬電路、RF系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備等噪聲敏感型應(yīng)用中，LDO可提供純凈的電源，有效降低干擾，增強(qiáng)信號(hào)完整性。LDO與電壓輸入至輸出控制(VIOC)功能及兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器配合使用時(shí)，可形成一個(gè)始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)不僅能顯著降低噪聲，實(shí)現(xiàn)高電源電壓抑制比(PSRR)，還能確保系統(tǒng)高效運(yùn)行、受到保護(hù)且具備強(qiáng)大性能。本文深入探討了實(shí)現(xiàn)VIOC的復(fù)雜細(xì)節(jié)，并闡述了VIOC的優(yōu)勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用。通過了解VIOC的協(xié)同作用，工程師可以優(yōu)化各種電子設(shè)備的電源管理解決方案。
無論是否帶有VIOC，LDO都屬于電源管理產(chǎn)品類別。電源管理涉及使用穩(wěn)壓器或轉(zhuǎn)換器等集成電路(IC)來為放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或處理器等電子負(fù)載供電。LDO是電源管理IC的一個(gè)子類，旨在為電子負(fù)載直接供電，主要作用包括：提升負(fù)載性能，有效降低負(fù)載之間不必要的相互干擾，確保系統(tǒng)中的電源IC和負(fù)載按正確時(shí)序上電和關(guān)斷。
帶VIOC的LDO通過內(nèi)部電路提供一個(gè)外部信號(hào)來控制為L(zhǎng)DO供電的開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出，從而使LDO的輸入輸出電壓差保持恒定，如圖1所示。線性穩(wěn)壓器本質(zhì)上是晶體管電路，能夠以相對(duì)較低的噪聲供電，但對(duì)輸入輸出電壓差很敏感，效率也由此決定。開關(guān)穩(wěn)壓器通過功率晶體管（開關(guān)）的快速切換來傳輸能量。開關(guān)穩(wěn)壓器使用功率開關(guān)及電感和二極管，高效地將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更適合為L(zhǎng)DO供電的電壓。
圖1.此VIOC系統(tǒng)為L(zhǎng)DO維持一致的輸入輸出電壓差
使用VIOC將降壓轉(zhuǎn)換器與LDO相結(jié)合以增強(qiáng)性能
典型的VIOC電路采用降壓開關(guān)穩(wěn)壓器來為具有VIOC特性的LDO供電。由此得到的電路是一種非常強(qiáng)大的配置，兼具降壓穩(wěn)壓器的高效率特性和LDO的低噪聲性能。降壓穩(wěn)壓器又稱為降壓轉(zhuǎn)換器，是一種開關(guān)轉(zhuǎn)換器，能夠高效地將輸入轉(zhuǎn)換為低于輸入電壓的穩(wěn)定輸出。
創(chuàng)建VIOC電路的第一步是選擇LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器。ADI公司提供多種集成VIOC功能的LDO。LT3045-1和LT3041系列及LT3073、LT3074和LT3078系列均有最新版本的VIOC特性。LT3045-1和LT3041線性穩(wěn)壓器的輸出電流范圍為500 mA至1 A，輸入電壓范圍約為2 V至20 V，只需要一個(gè)輸入電源。LT3073、LT3074和LT3078的輸出電流范圍為3 A至5 A，輸入電壓范圍為0.6 V至5.5 V，需要一個(gè)額外的低電流BIAS輸入電源。任何帶有反饋(FB)引腳的開關(guān)穩(wěn)壓器都可以與這些使用VIOC的LDO組合使用，但在選擇設(shè)計(jì)所用開關(guān)穩(wěn)壓器之前，請(qǐng)注意以下事項(xiàng)：
? 支持VIOC的LDO可與任何類型的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渑浜鲜褂茫畛Ｅc降壓穩(wěn)壓器配合使用。
? LT3045-1和LT3041 LDO必須與FB電壓為1 V或更低的開關(guān)穩(wěn)壓器搭配，使得LDO VIOC引腳可以在1 V電壓下工作（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)）。
? 在VIOC系統(tǒng)中，具有補(bǔ)償引腳的開關(guān)穩(wěn)壓器與沒有補(bǔ)償引腳的開關(guān)穩(wěn)壓器相比，可能更容易穩(wěn)定。
? 開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO評(píng)估板可以方便地評(píng)估VIOC系統(tǒng)硬件的工作。
? 具有VIOC功能的LDO不能與Silent Switcher? 3 (SS3)開關(guān)穩(wěn)壓器搭配使用，因?yàn)镾S3穩(wěn)壓器沒有常規(guī)FB引腳。
? 與典型VIOC電路相比，帶有集成高側(cè)反饋電阻的μModule?穩(wěn)壓器無法使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差。
? 使用VIOC的電路需要專用電壓軌作為L(zhǎng)DO前級(jí)，而不是支持多個(gè)電壓軌的前級(jí)。
? 與獨(dú)立LDO設(shè)計(jì)相比，VIOC需要更多元件。VIOC電路所需的額外元件包括：為L(zhǎng)DO供電的開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋分壓器中的額外電阻器，以及開關(guān)穩(wěn)壓器輸出通常使用的額外電容。
為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，ADI提供了指導(dǎo)，說明哪些降壓開關(guān)穩(wěn)壓器最適合搭配帶有VIOC特性的特定LDO使用。表1列出了與具有VIOC的推薦LDO組合使用的合適開關(guān)穩(wěn)壓器，并提供了所有LDO的說明。這些搭配基于前面列出的考慮因素，因此在構(gòu)建由降壓穩(wěn)壓器和具有VIOC特性的LDO組成的VIOC電路時(shí)，請(qǐng)遵循上文和表1中給出的指導(dǎo)。表1所列LDO的數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供了許多VIOC電路參考設(shè)計(jì)。
表2提供了表1所列降壓穩(wěn)壓器的詳細(xì)說明。這些信息有助于設(shè)計(jì)人員選擇不僅滿足電氣要求，而且符合限制條件（例如開關(guān)穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍、負(fù)載電流能力和工作電流）的穩(wěn)壓器。除了推薦用于VIOC的開關(guān)穩(wěn)壓器外，表2還列出了開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳電壓、可用模式、評(píng)估板產(chǎn)品型號(hào)和補(bǔ)償引腳的可用性。
VIOC的噪聲最小化和高PSRR優(yōu)勢(shì)
如上所述，當(dāng)LDO與VIOC功能及兼容的開關(guān)穩(wěn)壓器配合使用時(shí)，可形成一個(gè)始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統(tǒng)，從而不僅顯著降低噪聲，實(shí)現(xiàn)高PSRR，還能提升性能。
表1.推薦用于VIOC系統(tǒng)的LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器
表2.表1推薦的開關(guān)穩(wěn)壓器的說明
有些用戶只是想改變LDO的輸出電壓，但不希望采用復(fù)雜的方案來調(diào)節(jié)給LDO電源供電的開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓。與圖1中的電路相反，圖3所示的電路沒有VIOC，因此當(dāng)調(diào)高或調(diào)低LDO輸出時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出保持不變。圖2顯示，圖3電路的PSRR性能在LDO輸出電壓較高情況下會(huì)下降，原因是在LDO輸出電壓增加而LDO輸入不增加的情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波在LDO輸出端引起的噪聲會(huì)增加。
圖2.這些示波器截圖針對(duì)的是圖3中的電路，表明隨著LDO輸出電壓提高，PSRR引起的噪聲會(huì)加劇
現(xiàn)在考慮一下VIOC相比圖2和圖3所示例子的優(yōu)勢(shì)。圖1電路所示的VIOC系統(tǒng)會(huì)在LDO輸出發(fā)生變化時(shí)，維持LDO的輸入輸出電壓差一致，使旨在有效抑制噪聲的PSRR保持高水平。開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓會(huì)在LDO輸出降低時(shí)自行調(diào)低，在LDO輸出提高時(shí)自行調(diào)高。因此，當(dāng)LDO的輸出電壓變化到三個(gè)不同電平時(shí)，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波在LDO輸出端引起的噪聲依然保持較低水平，如圖4所示。
圖3.此電路不使用VIOC
VIOC的優(yōu)勢(shì)：提升效率、加強(qiáng)保護(hù)和優(yōu)化運(yùn)行
除了噪聲最小化、高PSRR優(yōu)勢(shì)之外，具有VIOC的系統(tǒng)還能始終保持最佳的輸入輸出電壓差，使其工作高效、安全且性能強(qiáng)大。效率方面的優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，因?yàn)楫?dāng)LDO輸出電壓降低而LDO輸入電壓保持不變時(shí)（如圖3電路所示），LDO的功耗會(huì)增加，效率會(huì)降低。對(duì)于圖1中的VIOC系統(tǒng)，即使LDO輸出發(fā)生變化，VIOC也能使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差，因此功耗保持不變。
圖4.這些示波器截圖針對(duì)的是圖1中的電路，表明PSRR引起的噪聲始終很低，原因是該電路使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差
此外，在不使用VIOC的系統(tǒng)中，某些情況和故障可能會(huì)導(dǎo)致LDO輸入輸出電壓差增大到不可接受的水平。例如，如果開關(guān)穩(wěn)壓器輸出和LDO輸出都被設(shè)定為相對(duì)較高的電壓，并且LDO上存在輸出短路故障，則LDO輸入輸出電壓差可能會(huì)急劇增大。LDO上的輸出短路故障會(huì)導(dǎo)致LDO兩端的輸入輸出電壓差過高，因?yàn)闆]有VIOC來強(qiáng)制開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓降低并維持設(shè)定的LDO輸入輸出電壓差。當(dāng)LDO輸出短路時(shí)，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差會(huì)大大增加LDO的功耗，使得LDO溫度可能超過建議工作溫度，從而造成可靠性降低。
當(dāng)LDO輸出短路時(shí)，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差還會(huì)阻止LDO在短路輸出故障消除后正常恢復(fù)，因?yàn)樵S多高壓LDO具有一種稱為限流折返的保護(hù)特性。
限流折返是電源和穩(wěn)壓器中使用的一種保護(hù)技術(shù)，用于在發(fā)生過流或短路情況時(shí)降低輸出電流。與在故障期間維持恒定電流的簡(jiǎn)單限流不同，折返限流會(huì)同時(shí)降低輸出電壓和電流，從而降低電路元件的功耗。這有助于保護(hù)電源和相連器件免于因過熱和過大電流而受損。1
圖5顯示了LT3041 LDO的典型限流折返。注意在圖5中，當(dāng)輸入輸出電壓差大于11 V時(shí)，LDO能夠輸出更小的電流。ADI的許多LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)都包含一個(gè)名為“過載恢復(fù)”的章節(jié)，其中解釋了當(dāng)LDO輸出上的短路故障消除后，為什么限流折返可以阻止輸出電壓設(shè)定值和負(fù)載相對(duì)較高的LDO恢復(fù)到正確的輸出電壓。
圖5.LT3041 LDO的典型限流折返
無VIOC的電路中的限流折返也會(huì)阻止高電壓電路正常啟動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)電路開啟時(shí)，LDO的輸出電壓最初為零伏，然后逐漸上升至正常運(yùn)行期間的期望輸出穩(wěn)定電壓。如果輸入電壓在開啟時(shí)相對(duì)較高，限流折返可能會(huì)過度限制LDO電流，并阻止LDO輸出電壓上升至期望的穩(wěn)定電壓。VIOC自動(dòng)維持正確的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓，從而維持正確的LDO輸入輸出電壓差，確保電路在故障和啟動(dòng)情況下都能正常工作。
結(jié)語(yǔ)
本系列的第一部分為理解如何使用支持VIOC的LDO與降壓穩(wěn)壓器的組合（現(xiàn)代應(yīng)用中最普遍的配置）來設(shè)計(jì)高效、低噪聲電源系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。本文還探討了推薦的LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器搭配方案及其背后的依據(jù)，說明了深思熟慮的器件選擇能夠顯著提升系統(tǒng)性能。本文展示了如何利用VIOC特性降低輸出噪聲、提高熱效率，并增強(qiáng)啟動(dòng)和過載恢復(fù)期間的系統(tǒng)保護(hù)和性能。
本系列的第二部分將探討這些器件如何保持恒定的輸入輸出電壓差，并介紹可簡(jiǎn)化VIOC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)用工具。
參考文獻(xiàn)
1 T.K.Hareendran，“Foldback Current Limiting - Little Secrets”，Codrey，2021年11月。
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