Was macht einen rauscharmen Spannungsregler aus?

Erstellt: August 13, 2021
Aktualisiert am: Juli 1, 2024

Ihre ICs benötigen stabile Gleichstromversorgung, um ordnungsgemäß zu funktionieren, und geringes Rauschen ist eine Standardanforderung für jeden Gleichspannungsregler. In einigen Fällen könnten Sie sich über ein paar dB zusätzliche Lastregelung Gedanken machen, solange das Rauschen gefiltert werden kann, aber Anwendungen, die eine ultrapräzise Zeitmessung und Komponenten mit sehr engen Eingangsspannungsbereichen benötigen, erfordern eine sehr stabile Gleichspannung mit geringem Rauschanteil. Wie können Sie also die genauen Grenzen von geringem Rauschen bestimmen und welche Arten von Reglern sind am besten für diese Anwendungen geeignet?

Wenn Sie noch nie die Spezifikationen eines Spannungsreglers durchgesehen haben, müssen Sie sich wahrscheinlich auf Marketing-Sprache verlassen, um einen geräuscharmen Spannungsregler für Ihr nächstes System zu finden. Der Regler selbst ist jedoch nicht die ganze Geschichte, und es gibt andere Komponenten und Layoutstrategien, die erforderlich sind, um sicherzustellen, dass ein Regler eine stabile geräuscharme Gleichstromausgabe liefert. Hier ist, was Sie über verschiedene Arten von geräuscharmen Reglern wissen müssen und wie Sie die beste Komponente für Ihre Bedürfnisse auswählen.

Grundlagen von geräuscharmen Spannungsreglern

Ein geräuscharmer Spannungsregler kann technisch aus jeder Topologie gebaut werden; wie Sie das Rauschen für den praktischen Gebrauch niedrig genug bekommen, ist eine andere Angelegenheit, die vom Komponenten- oder Schaltungsentwickler behandelt werden muss. Die von Ihnen gewählte Reglerkomponente wird viele wichtige Spezifikationen haben, aber die folgenden drei werden Ihnen im Grunde alles sagen, was Sie über die Handhabung von Rauschen durch einen Regler wissen müssen (sowohl intern erzeugt als auch extern).

Power Supply Rejection Ratio (PSRR). Kurz gesagt, gibt diese Spezifikation an, wie viel geleitetes Rauschen (in dB) von der vorgelagerten Stromversorgung durch den Regler abgelehnt wird. Der Fehlerverstärker in einem LDO sorgt für einen hohen PSRR (ähnlich wie ein Schaltwandler), obwohl sie ineffizient sind, wenn eine hohe Herabsetzung erforderlich ist.
Ausgangsregelung. Dies kann in dB in Bezug auf einen Nennwert oder als Prozentsatz gemessen werden. Wirklich geräuscharme Regler sollten einen sehr niedrigen Ausgangsregelungswert haben; die besten Komponenten werden Regelungsbewertungen unter 1% haben. Diese Spezifikation könnte auch in Bezug auf einen RMS-Ausgang als Bruchteil der Nennspannungsausgabe definiert werden.
Rauschleistungsdichte. Dies zeigt die Menge an Rauschen, die Sie über einen willkürlichen Frequenzbereich erwarten können. Der relevante Bereich kann von Gleichstrom bis zu sehr hoher Frequenz (100 kHz bis 1 MHz) oder bis zur Schaltfrequenz für einen Schaltregler genommen werden.

Alle drei oben aufgeführten Mengen sind frequenzabhängig. Beachten Sie, dass die Rauschleistungsdichte alle Quellen von intern erzeugtem Rauschen umfasst, einschließlich jeglichen internen Schaltrauschens. Diese drei Spezifikationen müssen zusammen betrachtet werden, wenn ein geräuscharmer Spannungsregler ausgewählt wird. Zum Beispiel sind niedrige Ausgangsregelung und Rauschleistungsdichte bedeutungslos, wenn der Eingang 0 dB PSRR hat. Ähnlich ist PSRR unwichtig, wenn der Wert der Ausgangsregelung sehr hoch ist.

Erstellen eines Reglers aus diskreten Komponenten

Zusätzliche unterstützende Schaltkreise am Ausgang eines Spannungsreglers oder innerhalb eines Regler-ICs selbst können dazu beitragen, das Rauschen am Reglerausgang weiter zu reduzieren. Wenn Sie beispielsweise Ihren eigenen linearen Regler aus diskreten Komponenten bauen, ist die Verwendung eines Kapazitätsmultiplikators eine einfache, aber wirkungsvolle Methode, um das Rauschen zu verringern; diese Topologie wird oft in Audio- oder Niederfrequenz-RF-Reglern ohne die Notwendigkeit exotischer Komponenten verwendet. Ein weiteres Beispiel ist ein aktiver Regler, der theoretisch perfekte Rauschreduzierung bietet.

Wenn Sie eine noch weitergehende Rauschreduzierung erreichen möchten, benötigen Sie zusätzliche Filterung am Ein-/Ausgang oder Sie müssen eine hochentwickelte integrierte Lösung verwenden. Sie sollten auch berücksichtigen, wie die Filtration am Ausgang und Ihre Schaltfrequenz den Rauschgehalt in Ihrem Regler beeinflussen.

Die Rolle der Schaltfrequenz und Filtration

Wenn Sie nach einem Schaltwandler suchen, fügen Sie dem Ausgang des Reglers zusätzliches Rauschen hinzu. Im Wesentlichen tauscht ein Schaltregler das Niederfrequenzrauschen einer AC-Quelle gegen Hochfrequenzrauschen aus, das über die Bandbreite des PWM-Signals verteilt ist. Dies sollte den Grund verdeutlichen, warum viele spannungsregulierende Komponenten mit geringem Rauschen LDOs sind; sie haben kein Schaltrauschen. Schauen Sie sich diesen Artikel an, um mehr über das Design von Schaltwandlern zu erfahren und wie Sie die beste Frequenz für Ihren Wandler wählen.

Beispiel eines Rauschspektrums, erzeugt durch einen Buck-Wandler in zwei Modi im Vergleich zu den CISPR-Grenzwerten. [Quelle]

Schließlich, wenn Sie einen sehr geringen Rauschgehalt von Ihrem Regler benötigen, kann ein Tiefpassfilter höherer Ordnung verwendet werden, um einen Teil des Rauschens aus dem Gerät zu entfernen. Diese Filter können aus passiven Bauteilen entworfen werden, obwohl Sie bei der Arbeit mit hohen Strömen bei einem Schaltregler vorsichtig mit Ihrem Layout sein sollten; die Schaltaktion erzeugt ein hohes magnetisches Feld, das einen Strom am Filterausgang induzieren kann, der dann stromabwärts zu anderen Komponenten weitergeleitet wird.

Zwei Beispiel-Spannungsregler mit geringem Rauschen

STMicroelectronics, LD56100

Für Anwendungen mit niedriger Spannung und moderatem Strom bietet die LD56100-Serie von STMicroelectronics einen rauscharmen LDO, der bis zu 5,5 V Ausgangsspannung mit 1 A Strom liefert. Er bietet eine sehr geringe Dropout-Spannung von 120 mV mit einem Ausgang, der mit einem integrierten Keramikkondensator stabilisiert wird. Die PSRR wird mit 70 dB (bei einer Frequenz von 1 kHz) bewertet, mit 0,13 mV RMS Rauschen am 3 V Ausgang.

Blockdiagramm für den LD56100 rauscharmen LDO-Regler. Quelle: LD56100 Datenblatt.

Analog Devices LTC7151S

Ein Beispiel für einen kostengünstigen, rauscharmen Spannungsregler ist der LTC7151S von Analog Devices. Dieser SMD-Rauscharme Regler bietet eine vom Benutzer steuerbare einstellbare Schaltfrequenz von 400 kHz bis 3 MHz mit einem integrierten PWM-Treiber, was ihn zu einer ausgezeichneten Wahl für Systeme macht, die einen Hochleistungsschaltwandler mit geringen Verlusten benötigen. Der Eingangsbereich erstreckt sich bis zu 20 V, und der Ausgangsbereich bis zu 5,5 V mit 15 A, die an eine Last geliefert werden. Es werden zwei Versorgungsregelungsmodi angeboten, die beide die Ausgangslastregelung unter 0,25% über den gesamten Ausgangsstrombereich halten.

Schaltkreisanwendung des rauscharmen Spannungsreglers LTC7151S. Quelle: LTC7151S Datenblatt.

Weitere Komponenten für Stromsysteme

Ein rauscharmer Spannungsregler erreicht nicht allein eine niedrige Geräuschentwicklung, und Ihr Reglerabschnitt benötigt weitere Komponenten, um die gewünschte Leistungsausgabe und das Rauschniveau zu erreichen. Eine sehr präzise Regelung in Hochleistungssystemen zu gewährleisten und gleichzeitig Stabilität zu erhalten und Rauschen zu minimieren, ist eine große Herausforderung, die eine Reihe anderer Leistungsmanagementkomponenten erfordert. Hier sind einige andere Komponenten, die Sie für Ihr Produkt benötigen könnten:

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