Co sprawia, że regulator napięcia jest niskoszumny?

Utworzono: sierpień 13, 2021
Zaktualizowano: lipiec 1, 2024

Twoje układy scalone potrzebują stabilnego zasilania DC do prawidłowego działania, a niski poziom szumów jest standardowym wymaganiem dla każdego regulatora DC. W niektórych przypadkach możesz martwić się o dodatkowe kilka dB regulacji obciążenia, pod warunkiem że szumy mogą być odfiltrowane, ale aplikacje wymagające ultraprecyzyjnego czasu i komponentów z bardzo wąskimi zakresami napięć wejściowych potrzebują bardzo stabilnego napięcia DC o niskiej zawartości szumów. Jak więc można określić dokładne granice niskiego poziomu szumów i jakie typy regulatorów są najlepsze dla tych zastosowań?

Jeśli nigdy nie przeglądałeś specyfikacji regulatorów napięcia, prawdopodobnie będziesz musiał polegać na marketingowym języku, aby znaleźć regulator napięcia o niskim poziomie szumów dla swojego następnego systemu. Jednak sam regulator to nie cała historia, potrzebne są również inne komponenty i strategie układu, aby zapewnić stabilne wyjście DC o niskim poziomie szumów. Oto co musisz wiedzieć o różnych typach regulatorów o niskim poziomie szumów i jak wybrać najlepszy komponent dla swoich potrzeb.

Podstawy regulatorów napięcia o niskim poziomie szumów

Regulator napięcia o niskim poziomie szumów może być technicznie zbudowany z dowolnej topologii; jak uzyskać wystarczająco niski poziom szumów do praktycznego użytku to inna sprawa, którą musi rozwiązać projektant komponentu lub obwodu. Wybrany przez Ciebie komponent regulatora będzie miał wiele ważnych specyfikacji, ale następujące trzy powiedzą Ci w zasadzie wszystko, co musisz wiedzieć o obsłudze szumów przez regulator (zarówno generowanych wewnętrznie, jak i zewnętrznych).

Stosunek odrzucenia szumów zasilania (PSRR). Krótko mówiąc, ta specyfikacja mówi, ile szumów przewodzonych (w dB) z zasilania górnego poziomu jest odrzucanych przez regulator. Wzmacniacz błędu w LDO zapewnia wysoki PSRR (podobnie jak przetwornica impulsowa), chociaż są one nieefektywne, jeśli wymagane jest duże obniżenie napięcia.
Regulacja wyjścia. Może być mierzona w dB względem wartości nominalnej lub jako procent. Prawdziwie niskoszumowe regulatory powinny mieć bardzo niską wartość regulacji wyjścia; najlepsze komponenty będą miały oceny regulacji poniżej 1%. Ta specyfikacja może być również zdefiniowana w terminach wyjścia RMS jako ułamek nominalnego napięcia wyjściowego.
Gęstość mocy szumów. Pokazuje ilość szumów, jakich można się spodziewać w dowolnym zakresie częstotliwości. Odpowiedni zakres może być brany od DC do bardzo wysokiej częstotliwości (100 kHz do 1 MHz) lub do częstotliwości przełączania dla regulatora impulsowego.

Wszystkie trzy wymienione wielkości są zależne od częstotliwości. Należy zauważyć, że gęstość mocy szumów obejmuje wszystkie źródła szumów generowanych wewnętrznie, w tym wszelkie wewnętrzne szumy przełączania. Te trzy specyfikacje należy rozważyć razem przy wyborze regulatora napięcia o niskim poziomie szumów. Na przykład, niska regulacja wyjścia i gęstość mocy szumów są bez znaczenia, jeśli wejście ma 0 dB PSRR. Podobnie, PSRR nie ma znaczenia, jeśli wartość regulacji wyjścia jest bardzo wysoka.

Budowanie regulatora z dyskretnych komponentów

Inne układy wspomagające na wyjściu z regulatora napięcia lub wewnątrz samego układu scalonego regulatora mogą pomóc jeszcze bardziej zredukować szum na wyjściu regulatora. Na przykład, jeśli budujesz własny regulator liniowy z dyskretnych komponentów, użycie mnożnika pojemności jest prostym, ale potężnym sposobem na obniżenie szumu; ta topologia jest często używana w regulatorach audio lub niskoczęstotliwościowych RF bez potrzeby stosowania egzotycznych komponentów. Innym przykładem jest aktywny regulator, który zapewnia teoretycznie doskonałą redukcję szumu.

Jeśli chcesz uzyskać jeszcze większą redukcję szumu, potrzebujesz dodatkowego filtrowania na wejściu/wyjściu, lub musisz użyć wysoko zaawansowanego zintegrowanego rozwiązania. Powinieneś również rozważyć, jak filtracja na wyjściu i twoja częstotliwość przełączania wpływają na zawartość szumu w twoim regulatorze.

Rola częstotliwości przełączania i filtracji

Jeśli szukasz przetwornicy przełączającej, dodasz trochę dodatkowego szumu na wyjściu z regulatora. W istocie, regulator przełączający zamienia niskoczęstotliwościowe tętnienia z źródła AC na wysokoczęstotliwościowy szum, który jest rozprzestrzeniany na całym paśmie sygnału PWM. To powinno zilustrować, dlaczego wiele komponentów regulatorów niskoszumowych to LDO; nie mają one żadnego szumu przełączania. Zapoznaj się z tym artykułem, aby dowiedzieć się więcej o projektowaniu przetwornicy przełączającej i jak wybrać najlepszą częstotliwość dla twojej przetwornicy.

Przykładowe spektrum szumu wytworzone przez przetwornicę typu buck pracującą w dwóch trybach w porównaniu z limitami CISPR. [Źródło]

Wreszcie, jeśli potrzebujesz bardzo niskiej zawartości szumu z twojego regulatora, filtr dolnoprzepustowy wyższego rzędu może być użyty do usunięcia pewnej zawartości szumu z urządzenia. Te filtry mogą być zaprojektowane z pasywnych komponentów, chociaż bądź ostrożny z układem przy pracy z wysokim prądem z przetwornicą przełączającą; działanie przełączania generuje wysokie pole magnetyczne, które może indukować prąd na wyjściu filtra, który następnie propaguje się w dół do innych komponentów.

Dwa przykładowe niskoszumowe regulatory napięcia

STMicroelectronics, LD56100

Dla aplikacji niskonapięciowych, o umiarkowanym prądzie, seria LD56100 od STMicroelectronics to niskoszumowy LDO zapewniający do 5.5 V na wyjściu przy prądzie 1 A. Zapewnia bardzo niskie napięcie spadku 120 mV przy stabilizowanym wyjściu za pomocą zintegrowanego kondensatora ceramicznego. PSRR jest oceniane na 70 dB (przy częstotliwości 1 kHz) z szumem 0.13 mV RMS przy wyjściu 3 V.

Schemat blokowy niskoszumowego regulatora LDO LD56100. Źródło: karta katalogowa LD56100.

Analog Devices LTC7151S

Jednym z przykładów niskokosztowego, niskoszumowego regulatora napięcia jest LTC7151S od Analog Devices. Ten SMD regulator niskiego szumu oferuje regulowaną przez użytkownika częstotliwość przełączania od 400 kHz do 3 MHz z zintegrowanym sterownikiem PWM, co czyni go doskonałym wyborem dla systemów potrzebujących wysokomocowego przetwornika przełączającego o niskich stratach. Zakres napięcia wejściowego sięga do 20 V, a zakres napięcia wyjściowego do 5,5 V przy dostarczeniu 15 A do obciążenia. Oferowane są dwa tryby regulacji zasilania, oba utrzymują regulację obciążenia wyjściowego poniżej 0,25% przez cały zakres prądu wyjściowego.

Układ aplikacyjny niskoszumowego regulatora napięcia LTC7151S. Źródło: Karta katalogowa LTC7151S.

Inne komponenty dla systemów zasilania

Niskoszumowy regulator napięcia nie osiąga niskiego poziomu szumów samodzielnie, a sekcja regulatora będzie wymagać innych komponentów do zapewnienia pożądanego wyjścia mocy i poziomu szumów. W przypadku bardzo precyzyjnej regulacji w systemach wysokiej mocy, utrzymanie stabilności i zapewnienie niskiego poziomu szumów jednocześnie stanowi duże wyzwanie, wymagające szeregu innych komponentów zarządzania mocą. Oto niektóre inne komponenty, które mogą być potrzebne dla Twojego produktu:

Kiedy szukasz niskoszumowego regulatora napięcia i innych komponentów dla Twojego nowego systemu, wszystkie potrzebne komponenty możesz znaleźć dzięki zaawansowanym funkcjom wyszukiwania i filtrowania w Octopart. Korzystając z wyszukiwarki elektroniki Octopart, masz dostęp do aktualnych danych cenowych dystrybutorów, stanów magazynowych i specyfikacji części, a wszystko to jest swobodnie dostępne w przyjaznym interfejsie. Zobacz naszą stronę z komponentami PMIC, aby znaleźć potrzebne komponenty.

Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera.