5001拉斯维加斯-线性稳压器的电压输入至输出控制——第一部分：快速入门和优势

【导读】于繁杂的电子体系设计中，电源治理单位的效能与靠得住性直接决议了总体机能的界限。此中，实现从输入电压到输出电压的精准、高效与不变节制，是工程师面对的焦点挑战之一。本文将聚焦在一种进步前辈的解决方案——电压输入至输出节制（VIOC）体系。该体系巧妙交融了具有VIOC特征的低压差线性稳压器（LDO）与开关稳压器，不仅可以或许显著优化功耗、按捺噪声，还有能于动态与妨碍前提下为体系提供坚实掩护。本系列文章的第一部门，将为您快速解析VIOC体系的架构上风，并提供详细的器件选型与设计实行指南，为构建更稳健、高效的电源链路奠基基础。

择要

于繁杂的电子体系设计中，电源治理单位的效能与靠得住性直接决议了总体机能的界限。此中，实现从输入电压到输出电压的精准、高效与不变节制，是工程师面对的焦点挑战之一。本文将聚焦在一种进步前辈的解决方案——电压输入至输出节制（VIOC）体系。该体系巧妙交融了具有VIOC特征的低压差线性稳压器（LDO）与开关稳压器，不仅可以或许显著优化功耗、按捺噪声，还有能于动态与妨碍前提下为体系提供坚实掩护。本系列文章的第一部门，将为您快速解析VIOC体系的架构上风，并提供详细的器件选型与设计实行指南，为构建更稳健、高效的电源链路奠基基础。

弁言

于电源治理范畴，低压差(LDO)稳压器对于确保电子元器件得到高机能电源起着要害作用。LDO的低噪声机能至关主要，特别是于周详模仿电路、RF体系及医疗装备等噪声敏感型运用中，LDO可提供纯净的电源，有用降低滋扰，加强旌旗灯号完备性。LDO与电压输入至输出节制(VIOC)功效和兼容的开关稳压器共同利用时，可形成一个始终维持最好输入输出电压差的体系。这类设计不仅能显著降低噪声，实现高电源电压制制比(PSRR)，还有能确保体系高效运行、遭到掩护且具有强盛机能。本文深切切磋了实现VIOC的繁杂细节，并论述了VIOC的上风及现实运用。经由过程相识VIOC的协同作用，工程师可以优化各类电子装备的电源治理解决方案。

不管是否带有VIOC，LDO都属在电源治理产物种别。电源治理触及利用稳压器或者转换器等集成电路(IC)来为放年夜器、数据转换器或者处置惩罚器等电子负载供电。LDO是电源治理IC的一个子类，旨于为电子负载直接供电，重要作用包括：晋升负载机能，有用降低负载之间没必要要的彼此滋扰，确保体系中的电源IC及负载按准确时序上电及关断。

带VIOC的LDO经由过程内部电路提供一个外部旌旗灯号来节制为LDO供电的开关稳压器的输出，从而使LDO的输入输出电压差连结恒定，如图1所示。线性稳压器素质上是晶体管电路，可以或许以相对于较低的噪声供电，但对于输入输出电压差很敏感，效率也由此决议。开关稳压器经由过程功率晶体管（开关）的快速切换来传输能量。开关稳压器利用功率开关和电感及二极管，高效地将输入电压转换为更合适为LDO供电的电压。

线性稳压器的电压输入至输出控制——第一部分：快速入门和优势

图1.此VIOC体系为LDO维持一致的输入输出电压差

利用VIOC将降压转换器与LDO相联合以加强机能

典型的VIOC电路采用降压开关稳压器来为具备VIOC特征的LDO供电。由此获得的电路是一种很是强盛的配置，兼具降压稳压器的高效率特征及LDO的低噪声机能。降压稳压器又称为降压转换器，是一种开关转换器，可以或许高效地将输入转换为低在输入电压的不变输出。

创立VIOC电路的第一步是选择LDO及开关稳压器。ADI公司提供多种集成VIOC功效的LDO。LT3045-1及LT3041系列和LT307三、LT3074及LT3078系列均有最新版本的VIOC特征。LT3045-1及LT3041线性稳压器的输出电流规模为500 mA至1 A，输入电压规模约为2 V至20 V，只需要一个输入电源。LT307三、LT3074及LT3078的输出电流规模为3 A至5 A，输入电压规模为0.6 V至5.5 V，需要一个分外的低电流BIAS输入电源。任何带有反馈(FB)引脚的开关稳压器均可以与这些利用VIOC的LDO组合利用，但于选择设计所用开关稳压器以前，请留意如下事项：

• 撑持VIOC的LDO可与任何类型的开关稳压器拓扑共同利用，但最常与降压稳压器共同利用。

• LT3045-1及LT3041 LDO必需与FB电压为1 V或者更低的开关稳压器搭配，使患上LDO VIOC引脚可以于1 V电压下事情（有关具体信息，请参阅数据手册）。

• 于VIOC体系中，具备赔偿引脚的开关稳压器与没有赔偿引脚的开关稳压器比拟，可能更易不变。

• 开关稳压器及LDO评估板可以利便地评估VIOC体系硬件的事情。

• 具备VIOC功效的LDO不克不及与Silent Switcher® 3 (SS3)开关稳压器搭配利用，由于SS3稳压器没有通例FB引脚。

• 与典型VIOC电路比拟，带有集成高侧反馈电阻的µModule®稳压器没法使LDO连结恒定的输入输出电压差。

• 利用VIOC的电路需要专用电压轨作为LDO前级，而不是撑持多个电压轨的前级。

• 与自力LDO设计比拟，VIOC需要更多元件。VIOC电路所需的分外元件包括：为LDO供电的开关稳压器的反馈分压器中的分外电阻器，以和开关稳压器输出凡是利用的分外电容。

为了简化设计历程，ADI提供了引导，申明哪些降压开关稳压器最合适搭配带有VIOC特征的特定LDO利用。表1列出了与具备VIOC的保举LDO组合利用的适合开关稳压器，并提供了所有LDO的申明。这些搭配基在前面列出的思量因素，是以于构建由降压稳压器及具备VIOC特征的LDO构成的VIOC电路时，请遵照上文及表1中给出的引导。表1所列LDO的数据手册中提供了很多VIOC电路参考设计。

表2提供了表1所列降压稳压器的具体申明。这些信息有助在设计职员选择不仅满意电气要求，并且切合限定前提（例如开关稳压器的输入电压规模、负载电流能力及事情电流）的稳压器。除了了保举用在VIOC的开关稳压器外，表2还有列出了开关稳压器的反馈引脚电压、可用模式、评估板产物型号及赔偿引脚的可用性。

VIOC的噪声最小化及高PSRR上风

如上所述，当LDO与VIOC功效和兼容的开关稳压器共同利用时，可形成一个始终维持最好输入输出电压差的体系，从而不仅显著降低噪声，实现高PSRR，还有能晋升机能。

表1.保举用在VIOC体系的LDO及开关稳压器

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表2.表1保举的开关稳压器的申明

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有些用户只是想转变LDO的输出电压，但不但愿采用繁杂的方案来调治给LDO电源供电的开关稳压器的输出电压。与图1中的电路相反，图3所示的电路没有VIOC，是以当调高或者调低LDO输出时，开关稳压器的输出连结稳定。图2显示，图3电路的PSRR机能于LDO输出电压较高环境下会降落，缘故原由是于LDO输出电压增长而LDO输入不增长的环境下，开关稳压器的输出电压纹波于LDO输出端引起的噪声会增长。

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图2.这些示波器截图针对于的是图3中的电路，注解跟着LDO输出电压提高，PSRR引起的噪声会加重

此刻思量一下VIOC比拟图2及图3所示例子的上风。图1电路所示的VIOC体系会于LDO输出发生变化时，维持LDO的输入输出电压差一致，使旨于有用按捺噪声的PSRR连结高程度。开关稳压器的输出电压会于LDO输出降低时自行调低，于LDO输出提高时自行调高。是以，当LDO的输出电压变化到三个差别电日常平凡，开关稳压器的输出电压纹波于LDO输出端引起的噪声依然连结较低程度，如图4所示。

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图3.此电路不利用VIOC

VIOC的上风：晋升效率、增强掩护及优化运行

除了了噪声最小化、高PSRR上风以外，具备VIOC的体系还有能始终连结最好的输入输出电压差，使其事情高效、安全且机能强盛。效率方面的上风是显而易见的，由于当LDO输出电压降低而LDO输入电压连结稳定时（如图3电路所示），LDO的功耗会增长，效率会降低。对于在图1中的VIOC体系，纵然LDO输出发生变化，VIOC也能使LDO连结恒定的输入输出电压差，是以功耗连结稳定。

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图4.这些示波器截图针对于的是图1中的电路，注解PSRR引起的噪声始终很低，缘故原由是该电路使LDO连结恒定的输入输出电压差

此外，于不利用VIOC的体系中，某些环境及妨碍可能会致使LDO输入输出电压差增年夜到不成接管的程度。例如，假如开关稳压器输出及LDO输出都被设定为相对于较高的电压，而且LDO上存于输出短路妨碍，则LDO输入输出电压差可能会急剧增年夜。LDO上的输出短路妨碍会致使LDO两头的输入输出电压差太高，由于没有VIOC来强迫开关稳压器的输出电压降低并维持设定的LDO输入输出电压差。当LDO输出短路时，妨碍时期LDO的高输入输出电压差会年夜年夜增长LDO的功耗，使患上LDO温度可能跨越建议事情温度，从而造成靠得住性降低。

当LDO输出短路时，妨碍时期LDO的高输入输出电压差还有会制止LDO于短路输出妨碍消弭后正常恢复，由于很多高压LDO具备一种称为限流折返的掩护特征。

限流折返是电源及稳压器中利用的一种掩护技能，用在于发生过流或者短路环境时降低输出电流。与于妨碍时期维持恒定电流的简朴限流差别，折返限流会同时降低输出电压及电流，从而降低电路元件的功耗。这有助在掩护电源及相连器件免在因过热及过年夜电流而受损。1

图5显示了LT3041 LDO的典型限流折返。留意于图5中，当输入输出电压差年夜在11 V时，LDO可以或许输出更小的电流。ADI的很多LDO数据手册都包罗一个名为“过载恢复”的章节，此中注释了当LDO输出上的短路妨碍消弭后，为何限流折返可以制止输出电压设定值及负载相对于较高的LDO恢复到准确的输出电压。

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图5.LT3041 LDO的典型限流折返

无VIOC的电路中的限流折返也会制止高电压电路正常启动，由于当电路开启时，LDO的输出电压最初为零伏，然后逐渐上升至正常运行时期的指望输出不变电压。假如输入电压于开启时相对于较高，限流折返可能会过分限定LDO电流，并制止LDO输出电压上升至指望的不变电压。VIOC主动维持准确的开关稳压器输出电压，从而维持准确的LDO输入输出电压差，确保电路于妨碍及启动环境下都能正常事情。

结语

本系列的第一部门为理解怎样利用撑持VIOC的LDO与降压稳压器的组合（现代运用中最遍及的配置）来设计高效、低噪声电源体系奠基了基础。本文还有切磋了保举的LDO与开关稳压器搭配方案和其暗地里的依据，申明了寻思熟虑的器件选择可以或许显著晋升体系机能。本文展示了怎样使用VIOC特征降低输出噪声、提高热效率，并加强启动及过载恢复时期的体系掩护及机能。

本系列的第二部门将切磋这些器件怎样连结恒定的输入输出电压差，并先容可简化VIOC体系实现的实用东西。

参考文献

1 T.K.Hareendran，“Foldback Current Limiting - Little Secrets”，Codrey，2021年11月。

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