Что делает регулятор напряжения низкошумным?

Создано: 13 Августа, 2021
Обновлено: 1 Июля, 2024

Ваши ИС требуют стабильного постоянного тока для корректной работы, и низкий уровень шума является стандартным требованием для любого регулятора постоянного тока. В некоторых случаях вас может беспокоить лишь несколько децибел регулировки нагрузки, если шум можно отфильтровать, но приложения, требующие ультраточного тайминга и компоненты с очень узкими диапазонами входного напряжения, нуждаются в очень стабильном постоянном напряжении с низким содержанием шума. Так как же определить точные пределы низкого уровня шума и какие типы регуляторов лучше всего подходят для этих приложений?

Если вы никогда не изучали спецификации регуляторов напряжения, вам, вероятно, придется полагаться на маркетинговые заявления, чтобы найти регулятор низкого шума для вашей следующей системы. Однако сам регулятор - это не вся история, и для обеспечения стабильного выхода постоянного тока с низким уровнем шума требуются другие компоненты и стратегии размещения. Вот что вам нужно знать о различных типах регуляторов с низким уровнем шума и как выбрать лучший компонент для ваших нужд.

Основы регуляторов напряжения с низким уровнем шума

Регулятор напряжения с низким уровнем шума технически может быть построен на любой топологии; как достичь достаточно низкого уровня шума для практического использования - это другой вопрос, который должен решать разработчик компонентов или схем. Выбранный вами компонент регулятора будет иметь множество важных спецификаций, но следующие три расскажут вам практически все, что вам нужно знать о обращении регулятора с шумом (как внутренне генерируемым, так и внешним).

Коэффициент подавления питающего напряжения (PSRR). Короче говоря, эта спецификация говорит вам, сколько проводимого шума (в дБ) от входного источника питания отвергается регулятором. Ошибка усилителя в LDO обеспечивает высокий PSRR (подобно преобразователю с переключением), хотя они неэффективны, если требуется большое понижение.
Регулировка выхода. Это может быть измерено в дБ относительно номинального значения или как процент. Действительно регуляторы с низким уровнем шума должны иметь очень низкое значение регулировки выхода; лучшие компоненты будут иметь показатели регулировки ниже 1%. Эта спецификация также может быть определена в терминах среднеквадратичного выхода как доли от номинального выходного напряжения.
Плотность мощности шума. Это показывает количество шума, которое вы ожидаете увидеть в произвольном диапазоне частот. Соответствующий диапазон может быть взят от постоянного тока до очень высокой частоты (от 100 кГц до 1 МГц) или до частоты переключения для регулятора с переключением.

Все три указанные величины зависят от частоты. Обратите внимание, что плотность мощности шума охватывает все источники внутренне генерируемого шума, включая любой внутренний шум переключения. Эти три спецификации необходимо рассматривать вместе при выборе регулятора напряжения с низким уровнем шума. Например, низкая регулировка выхода и плотность мощности шума бессмысленны, если на входе 0 дБ PSRR. Аналогично, PSRR не имеет значения, если значение регулировки выхода очень высоко.

Создание регулятора из дискретных компонентов

Дополнительная схемотехника на выходе из регулятора напряжения или внутри самого интегрального регулятора может помочь дополнительно снизить шум на выходе регулятора. Например, если вы собираете свой собственный линейный регулятор из дискретных компонентов, использование умножителя емкости является простым, но мощным способом уменьшения шума; эта топология часто используется в аудио или регуляторах для низкочастотного РЧ без необходимости в экзотических компонентах. Другой пример - активный регулятор, который обеспечивает теоретически идеальное уменьшение шума.

Если вы хотите добиться еще большего снижения шума, вам нужна дополнительная фильтрация на входе/выходе, или вам нужно использовать высокотехнологичное интегрированное решение. Вам также следует учитывать, как фильтрация на выходе и ваша частота переключения влияют на содержание шума в вашем регуляторе.

Роль частоты переключения и фильтрации

Если вы ищете переключающийся преобразователь, вы добавите некоторый дополнительный шум на выход из регулятора. По сути, переключающийся регулятор преобразует низкочастотные пульсации от источника переменного тока в высокочастотный шум, который распространяется по всей полосе частот сигнала ШИМ. Это должно проиллюстрировать причину, по которой многие компоненты регуляторов напряжения с низким уровнем шума являются LDO; у них нет шума переключения. Посмотрите эту статью, чтобы узнать больше о дизайне переключающегося преобразователя и как выбрать лучшую частоту для вашего преобразователя.

Пример спектра шума, создаваемого понижающим преобразователем в двух режимах по сравнению с пределами CISPR. [Источник]

Наконец, если вам нужен регулятор с очень низким содержанием шума, для удаления некоторого содержания шума из устройства можно использовать фильтр нижних частот высшего порядка. Эти фильтры могут быть разработаны из пассивных компонентов, хотя будьте осторожны с вашей компоновкой при работе с высоким током с переключающимся регулятором; действие переключения создает высокое магнитное поле, которое может индуцировать ток на выходе фильтра, который затем распространяется вниз по потоку к другим компонентам.

Два примера регуляторов напряжения с низким уровнем шума

STMicroelectronics, LD56100

Для приложений с низким напряжением и умеренным током серия LD56100 от STMicroelectronics представляет собой LDO с низким уровнем шума, обеспечивающий выходное напряжение до 5.5 В с током 1 А. Он обеспечивает очень низкое падение напряжения на уровне 120 мВ с выходом, стабилизированным с помощью интегрированного керамического конденсатора. PSRR оценивается в 70 дБ (частота 1 кГц) с шумом 0.13 мВ RMS на выходе 3 В.

Блок-схема регулятора LDO с низким уровнем шума LD56100. Источник: Техническое описание LD56100.

Аналоговые устройства LTC7151S

Одним из примеров недорогого, низкошумного регулятора напряжения является LTC7151S от Analog Devices. Этот SMD регулятор с низким уровнем шума предоставляет пользователю возможность регулировки частоты переключения от 400 кГц до 3 МГц с интегрированным драйвером ШИМ, что делает его отличным выбором для систем, которым нужен высокомощный переключающий преобразователь с низкими потерями. Диапазон входного напряжения достигает до 20 В, а выходное напряжение - до 5,5 В при подаче 15 А на нагрузку. Предлагаются два режима регулирования питания, оба из которых поддерживают регулирование нагрузки на выходе ниже 0,25% на всем диапазоне выходного тока.

Схема применения низкошумного регулятора напряжения LTC7151S. Источник: Техническое описание LTC7151S.

Другие компоненты для систем питания

Низкошумный регулятор напряжения сам по себе не достигает низкого уровня шума, и вашему регулятору потребуются другие компоненты для обеспечения желаемой мощности выхода и уровня шума. Для очень точной регулировки в системах с высокой мощностью поддержание стабильности и обеспечение низкого уровня шума одновременно является серьезной задачей, требующей ряда других компонентов управления питанием. Вот некоторые другие компоненты, которые могут понадобиться для вашего продукта:

Когда вы ищете низкошумный регулятор напряжения и другие компоненты для вашей новой системы, вы можете найти все необходимые компоненты с помощью расширенного поиска и функций фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электронных компонентов Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентаризации компонентов и спецификациям, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу компонентов PMIC, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.