作者：黄智伟
出版社：电子工业出版社
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电子系统的电源电路设计试读：
前言
电源电路是电子系统的重要组成部分，作为所有电路的能量提供部分，电源电路在大多数电子设备中发挥着不可或缺的作用。电源电路设计已经成为电子系统设计过程中需要重点考虑的一个问题。PI（Power Integrity，电源完整性）已经与SI（Signal Integrity，信号完整性）和EMI（Electromagnetic Integrity，电磁完整性）成为现代电子系统设计必须解决的3个重要问题。
电源电路在设计制作中会受到各种条件的约束和制约（如输入电压、输出电压、输出电流、输出噪声、体积、重量、成本等）。面对海量的技术资料，面对生产厂商可以提供的几十类、成百上千种型号的电源电路芯片，面对数据表中的几十个参数，如何选择合适的电源电路芯片，完成电子系统所需要的电源电路设计，实际上是一件并不容易的事情。对电源电路芯片的技术参数、特点、类型、应用要求不了解和不熟悉，是造成电源电路设计制作困难的主要原因之一。
本书是为从事电子系统设计的工程技术人员编写的一本介绍电源电路设计与制作基本知识、方法和技巧的参考书。本书没有大量的理论介绍、公式推导和仿真分析，而是从工程设计要求出发，主要以TI公司的电源电路芯片为基础，通过对电源电路芯片的基本结构、技术特性、应用电路的介绍，并提供大量的、可选择的电源电路芯片和应用电路以及PCB设计实例，图文并茂地说明电源电路设计和制作中的一些方法和技巧，以及应该注意的问题，具有很好的工程性和实用性。
本书也可以作为本科院校和高职高专电子信息工程、通信工程、自动化、电气工程等专业学习电源电路设计和制作的教材，以及作为全国大学生电子设计竞赛的培训教材。
本书共7章。
第1章模 拟电路的电源电路设计，介绍了放大器与电源有关的参数，LDO线性稳压器电源电路结构、参数、PSRR、噪声、电容选型等，以及基于TI器件的线性稳压器电路设计实例。
第2章 RF（射频）系统的电源电路设计，介绍了RF（射频）系统的电源要求，以及基于TI器件的RFPA电源电路设计实例。
第3章 ADC和DAC的电源电路设计，介绍了ADC和DAC的电源电路结构形式，ADC和DAC电压基准的选择，基于TI器件的ADC和DAC电压基准电路设计实例，通过调节电压基准来增加ADC的精度和分辨率方法，影响ADC的其他因素，模数混合电路PCB的分区与分割，模数混合电路的电源和接地PCB设计，模数混合系统的电源和接地布局实例等。
第4章 高速数字电路的电源电路设计，介绍了PDN与SI、PI和EMI关系，FPGA的PDN模型，VRM（电压调整模块），去耦电容器阻抗频率特性、衰减频率特性、ESR、ESL特性和安装位置等，电流通道上的PCB电感，IC封装的电感，贴装电感，PCB电源／地平面的功能、设计一般原则、叠层和层序等，同时开关噪声（SSN）SSN的成因和控制，基于目标阻抗的PDN设计方法，基于功率传输的PDN设计方法，平面PDN的一维分布模型，FPGA PDN设计和验证，设计例：Virtex™-5 FPGA的PDN设计，常用的一些PDN设计和仿真EDA工具，TI公司的FPGA电源管理解决方案和设计工具，基于TI器件的FPGA电源电路设计实例，以及利用铁氧体磁珠为FPGA设计电源隔离滤波器。
第5章 无线电源电路设计，介绍了无线电源技术简介，无线电源联盟（WPC，Wireless Power Consortium），A型无线电源发射器设计例：A1型无线电源发射器设计，B型无线电源发射器设计例：B1型无线电源发射器设计，无线电源接收器设计，无线电源接收器设计实例，TI公司的无线电源解决方案，TI公司提供的发射器端解决方案，TI公司提供的接收器端解决方案，以及符合Qi标准的无线电源接收器线圈设计和Vishay公司的无线充电接收线圈。
第6章 开关稳压器电源电路设计，介绍了降压型（BUCK）DC-DC开关稳压器，升压型（BOOST）DC-DC开关稳压器，降压-升压型（BUCK BOOST）DC-DC开关稳压器，SEPIC DC-DC开关稳压器，反激式（FLYBACK）DC-DC开关稳压器，正激式（FORWARD）DC-DC开关稳压器，双开关正激式（2 SWITCH FORWARD）DC-DC开关稳压器，有源钳位正激式（ACTIVE CLAMP FORWARD）DC-DC开关稳压器，半桥式（HALF BRIDGE）DC-DC开关稳压器，推挽式（PUSH PULL）DC-DC开关稳压器，全桥式（FULL BRIDGE）DC-DC开关稳压器，相移（PHASE SHIFT）ZVT DC-DC开关稳压器，数字电源等电路设计，以及开关电源的AC电源线的降噪处理方法。
第7章 基准电压源/电流源电路设计，介绍了电压基准的选择方法和原则，并联型电压基准应用电路例，串联型电压基准应用电路例，电流源应用电路例。
本书部分电路中的图形符号及变量等来源于原厂资料，为了读者阅读方便，未做标准化处理，也没有进行全书统一，特此说明。
本书在编写过程中，参考了大量的国内外著作和文献资料，引用了一些国内外著作和文献资料中的经典结论，参考并引用了Texas Instruments、Analog Devices、Maxim、Microchip Technology、Linear Technology、National Semiconductor等公司提供的技术资料和应用笔记，得到了TI公司黄争、钟舒阳、胡国栋等许多专家和学者的大力支持，听取了多方面的意见和建议。李富英高级工程师对本书进行了审阅。参与本书编写的还有南华大学王彦教授、李圣副教授、刘光达、刘鹏程、葛厚洋、胡景文、张翼、李军、戴焕昌、欧科军、税梦玲、张强、王兵、李富英，在此一并表示衷心的感谢。同时感谢“国家级大学生创新创业训练计划项目”（201210555009）课题组，湖南省普通高等院校教学改革研究项目（20120216）和（20130216）课题组，湖南省大学生研究性学习与创新性实验计划项目（201209）课题组，对本书编写所做的大量工作和支持。
由于我们水平有限，不足之处在所难免，敬请各位读者批评斧正。黄智伟 于南华大学2014.2第1章模拟电路的电路电源设计1.1 与电源有关的放大器参数1.1.1 电源电压和电流（VDD、VSS和IDD、IQ）
电源电压定义为可使放大器工作在线性区的可接受的VDD（或+VCC）和VSS（或-VCC）之间的差值。如果电压差小于规定值，则放大器很可能无法可靠地工作。如果电源电压高于规定值，虽然放大器可以按预期工作，但由于施加给放大器内晶体管的电压过大，很可能导致器件损坏。在产品数据手册的参数表中，通常会给出该放大器的绝对最大额定值（Absolute Maximum Ratings），放大器的电源电压一定不能够超过该数值。例如，OPA690的电源电压最大额定值为±6.5V。
电源电流（IDD、IQ或ICC）指定为空载条件下的电流。通常，当放大器带有负载时，拉电流主要会从VDD引脚输出，流经运放的输出级然后流向负载，而灌电流主要会导致VSS增加。
电源参数（VSS、VDD和IDD、IQ）通常作为独立项出现在产品数据手册的参数表中。该参数偶而也会作为PSRR参数的测试条件。图1.1.1所示为［1］THS4011、THS4012数据表的电源参数。图1.1.1 THS4011、THS4012数据表的电源参数1.1.2 电源抑制比（PSRR）
1. 电源电压抑制比的定义
电源抑制比（PSRR，Power Supply Rejection Ratio）是与电源抑制比参数kSVR相同的。它被定义为电源电压的改变量与由此引起的输入失调电压改变量之比的绝对值。在一般情况下，电源的两个端电压是对称变化的。它的单位是分贝（dB）［2］。
电源电压会影响到输入差分对的偏置点。由于输入电路固有不匹配，偏置点的改变会引起失调电压的改变，进而引起输出电压的改变。
对于双电源运放，PSRR＝ΔVCC±/ΔVOS或者ΔVDD±/ΔVOS。ΔVCC±中的正负号表示正负电源是对称地改变的。对于单电源运放，PSRR＝ΔVCC/ΔVOS或者ΔVDD/ΔVOS。同时还应该看到，PSRR的生成机理是与共模抑制比CMRR相同的。因此，在数据手册中，PSRR也被归入直流参数。当把PSRR与频率的关系画成曲线时，这条曲线将随频率的增加而下降。
如果改变运放的供电电压，其输出电压本不应该发生变化，但是实际上它的确会有变化。如果供电电压改变X伏时引起的输出电压变化量与差分输入改变Y伏引起的输出变化相等，那么运放的PSRR=X/Y。在PSRR的定义中，假设电源正负电压同时向相反方向改变同样的大小，否则将引起共模变化，令分析更为复杂。PSRR不同，对电源正负电压的抑制效果也不同［2］。
2. 电源电压波动对输出电压的影响
电源电压波动对输出电压有直接的影响。
〖举例〗对于电池供电的放大器电路要求运放必须具有良好的电源抑制性能。在图1.1.2所示电路［3］中，使用电池来为放大器供电，放大器被配置为具有高闭环增益101V/V。图1.1.2 电池供电的放大器电路
在电池的生命周期中，随着使用时间的推移，电池的输出电压会从5.75V逐渐降至4.75V。如果该放大器的电源抑制比为500μV/V（或66dB），随着时间推移，放大器输出端的误差将为50.5mV。在一个满量程为4.096V的12位系统中，这相当于在电池的生命周期中，失调电压变化量的50.5倍。
PSR（V/V）=ΔVOS/ΔVSUPPLY （1.1.1）
VOUT=（1+RF/RIN）（VIN+VOS） （1.1.2）
在电池供电应用中，可以看见电池供电电压会在电池的整个生命周期中变化几百毫伏。若将此类应用中运放配置为高闭环增益，则要求运放必须具有良好的电源抑制性能。
3. 电源抑制比的频率响应
电源抑制比参数量化了放大器对电源变化的敏感度。理想情况下，电源抑制比应该是无穷大。一般放大器的电源抑制比的范围为60～100dB。
与放大器的开环增益（AOL）特性一样，PSRR也是频率的函数，随着频率的升高，PSRR的数值开始下降。如图1.1.3所示［4］，电源产生的变化（或者噪声，叠加在电源上的噪声也会引起电源电压的变化）在1kHz以下，＋PSRR约为130dB；之后，随着频率的上升，PSRR不断下降。而-PSRR随着频率的上升，不断下降。很明显，对高频电源变化（噪声）的抑制能力要低于对直流和低频电源变化（噪声）的抑制能力。图1.1.3 电源抑制比与噪声频率（OPA2734）
注意：开关电源产生的噪声频率为50～500kHz或者更高。在这些频率范围，PSRR的几乎为零。所以，在电源上的噪声会引起运算放大器在输出端产生噪声。对此，必须采用适当的旁路（去耦）技术。
在闭环系统中，放大器的电源抑制能力略低于理想情况，它表现为失调电压误差的形式（PSRRERROR=ΔVOS）。描述这一误差的公式如下：
PSRR（dB）=20 lg（ΔVSUPPLY/ΔVOS） （1.1.3）
描述电源抑制能力的公式为
PSR（V/V）=ΔVOS/ΔVSUPPLY （1.1.4）
式中，VSUPPLY=VDD-VSS；ΔVOS表示电源电压变化ΔVSUPPLY时，引起输出电压变化ΔVO折合到输入端的失调电压，ΔVOS＝ΔVO/ΔAvd。ΔAvd为放大器的直流放大倍数。
〖举例〗带有最小5倍增益的宽电源范围、轨到轨输出仪器放大器INA827的PSRR（电源抑制比）与增益和频率的关系［5］如图1.1.4所示，±PSRR（电源抑制比）随着增益的增加而加大，随着频率的增加而减小。图1.1.4 PSRR与频率的关系1.1.3 电源抑制比参数kSVR
电源抑制比参数kSVR是与电源抑制比PSRR相同的［2］，以分贝（dB）为单位。它被定义为电源电压的改变量与由此引起的输入失调电压改变量之比的绝对值。在一般情况下，电源的两个端电压是对称变化的。
电源电压会影响到输入差分对的偏置点。由于输入电路固有的不匹配，偏置点的改变会引起失调电压的改变，进而引起输出电压的改变。
对于双电源运放，kSVR＝ΔVCC±/ΔVOS或者ΔVDD±/ΔVOS。ΔVCC±中的正负号表示正负电源是对称地改变的。对于单电源运放，kSVR＝ΔVCC/ΔVOS或者ΔVDD/ΔVOS。同时还应该看到，产生kSVR的机理是与共模抑制比（CMRR）相同的。因此，在数据手册中，kSVR也被归入直流参数。当把kSVR与频率的关系画成曲线时，这条曲线将随频率的增加而下降。
〖举例〗LMV321-Q1/LMV358-Q1/LMV32的kSVR与频率的关系［6］如图1.1.5所示。从图1.1.5可见，kSVR随频率的增加而下降。图1.1.5 kSVR与频率的关系1.1.4 绝对最大值
绝对最大值（也称为绝对最大额定值）是一些极限值，超过了这些极限值，器件的寿命也许会受损。所以，在使用和测试中绝不可超过这些极限值。根据定义，所谓极限值就是最大值，极限值指定的两个端点所包含的区域就叫做范围（比如，工作温度范围）。
〖举例〗厂家提供的放大器THS3092/THS3096的绝对最大额定值［7］如图1.1.6所示。从图1.1.6可见THS3092/THS3096的一些极限值，如电源电压VS+到VS−不能够超过33V，输入电压不能够超过电源电压±VS，差分输入电压为±4V，输出电流为300mA，存储温度范围为-65～+150℃等。图1.1.6 THS3092/THS3096的绝对最大额定值1.1.5 推荐的工作条件
推荐的工作条件与上面的最大值有这样的一个相似性，这就是，超出了规定的工作范围，可以导致不满意的性能。但是，推荐工作条件并不表示超出规定范围时器件会损坏。
〖举例〗厂家提供的放大器THS3092/THS3096推荐的工作条件［7］如图1.1.7所示。从图1.1.7可见THS3092/THS3096的电源电压VCC+到VCC−能够使用±5V～±15V，或者单电源10～30V，THS3092/THS3096的工作温度范围为-40℃～+85℃。图1.1.7 THS3092/THS3096推荐的工作条件1.1.6 电特性
电特性是器件的可测量的电学特性，这些电特性是由器件设计确定的。电特性被用来对器件用做电路元件时的性能进行预测。出现在电特性表中的数据是根据工作在推荐工作条件下的器件而获取的。例如，图1.1.8所示的“VS=±15 V，RF=909Ω，RL=100Ω，G=2（unless otherwise noted）（除非另有说明，VS=±15 V，RF=909Ω，RL=100Ω，G=2）”和“Test Conditions（测试条件）”。
〖举例〗厂家提供的放大器THS3092/THS3096的电特性［7］如图1.1.8所示。在图1.1.8中的表格列出了放大器THS3092/THS3096的参数（Parameter）、参数符号（Symbol）、测试条件（Test Conditions）、参数值［分为最小值（Min）、典型值（Typ）和最大值（Max）］以及它们的单位（Unit）和使用说明等。在图1.1.8的表格中的有些符号是参数，有些符号是测试条件。测试条件是指在参数测试时对运放施加的条件。表中的有些符号则同时用做条件和参数。参数或条件所使用的单位，属于标准的SI计量单位。从图1.1.8可以看到，数据表中的许多电特性是与电源电压有关的（即指定了电源电压的范围）。图1.1.8 THS3092/THS3096的电特性图1.1.8 THS3092/THS3096的电特性（续）1.1.7 输入电压范围
1. 运放的输入电压范围有明确的限制
运算放大器的传输特性［2，8，9］如图1.1.9所示。在输入电压为±uim范围内，放大器保持线性放大状态。输入电压超过±uim，运算放大器将进入饱和状态。图1.1.9 运算放大器的传输特性
对于运放的两个输入引脚端，均有输入电压范围（摆幅）的限制要求。这些限制是由于运算放大器的输入级设计所导致的。
运放的输入电压范围与放大器输入级的拓扑有关、放大器输入级的拓扑可以分为PMOS差分输入级、NMOS差分输入级、PMOS和NMOS组合的差分输入级。采用PMOS器件构建的差分输入放大器可以允许输入摆幅的下限低于负电源，采用NMOS差分输入放大器对可以允许输入摆幅的上限高于正电源。使用PMOS和NMOS差分输入对组合的输入级，可以将输入电压范围扩展至从大于正电源轨到小于负电源轨。
在器件产品的数据手册里，通常对输入电压限制进行了明确的定义。最常用的是输入电压范围VIN，它通常作为独立项在参数表中单独列出。该参数通常也被定义为CMRR参数—输入共模电压范围VCM。在这两种参数中，较为保守的是作为CMRR测试条件的输入电压范围（即共模输入电压），因为CMRR测试利用另一个参数验证了输入电压范围。输入电压范围限制放大器的线性特性。
2. 运放的输入电压范围与放大器电源电压有关
〖举例〗THS4011/THS4012型运放在电源电压VCC=±15V时，共模输入电压范围为±13～±14.1V；在电源电压VCC=±5V时，共模输入电压范围为±1.8～±4.3V。THS4011/THS4012运放的共模输入电压范围与放大器工作电压关系如图1.1.10所示。图1.1.10 THS4011/THS4012的共模输入电压范围与放大器电源电压关系
3. 输入“轨到轨”的运算放大器
输入“轨到轨”的运算放大器指的是：在双电源供电情况下，其共模电压输入范围允许涵盖−VCC～+VCC；在单电源供电情况下，其共模输入电压范围允许涵盖0～+VCC。如果同时具备，则称输入／输出（I/O）“轨对轨”运放。“非轨到轨”的运算放大器则距离电源轨较远处已经出现限幅现象。
实际上“轨到轨”的运算放大器也不可能完全到达电源轨，而是留有几十毫伏到几百毫伏的余地，因为完全到达电源轨时，非线性失真就会大大增加。1.1.8 共模抑制比（CMRR）
1. 共模抑制比的定义
共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR，或kCMR）被定义为差分电压放大倍数与共模电压放大倍数之比，即运放共模增益与差模增益之比。这个参数是通过确定输入共模电压的改变量与由此引起的输入失调电压的改变量之比来测定的。共模抑制比以dB为单位时，表示共模抑制能力［2，8，9］。
在理想状态下，CMRR或kCMR是无穷大，因而使共模电压被完全抑制。即如果向运放的两个输入端同时施加同一个信号，那么输入电压的差不变，输出也不改变。而实际上，改变共模电压会引起输出电压的变化。
共模输入电压会影响到输入差分对的偏置点。由于输入电路固有的不匹配，偏置点的改变会引起失调电压的改变，进而引起输出电压的改变。这个参数的实际的计算方法是ΔVOS/ΔVCOM。
〖举例〗在TI公司的数据表（手册）中，CMRR＝ΔVCOM/ΔVOS，所以会给出正的dB数。在数据表中，CMRR被归入直流参数。当画出CMRR与频率的关系曲线时，这条曲线将随频率的增加而下降。
注意：50Hz或60Hz的交流噪声是一个常见的共模干扰电压源。运放芯片使用时务必小心设计，以保证运放的CMRR不会因其他电路元件而变坏。采用大电阻的电路容易受到共模（和其他）噪声的干扰。设计时，一般可以把电阻按比例缩小，而把电容按比例放大，以保持电路的响应不变。
2. 共模输入电压范围与电源电压有关
两个输入端共模电压的大小受最大输入共模电压Vicmax限制。这是指运放所能承受的最大共模输入电压。超过Vicmax值，它的共模抑制比将显著下降。一般是指运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1%跟随误差的共模输入电压幅值，对于高质量的运放可达接近电源电压。
〖举例〗INA333的共模输入电压与输出电压关系如图1.1.11所示［10］。共模输入电压范围与电源电压有关，随电源电压增加而增加，同时与供电电压形式（单电源供电和双电源供电）有关。在单电源供电时也与VREF电压有关。图1.1.11 输入共模电压与输出电压关系
3. 共模电压变化引起的误差
放大器的共模抑制比表征放大器对两个输入端共模电压变化的敏感度，一般通用型运放共模抑制比为80～120dB，高精度运放可达140dB。所引起的误差表现为失调误差（CMRRERROR）。
CMRR（dB）=20 lg（ΔVCM/ΔVOS） （1.1.5）
式中，ΔVOS=CMRRERROR。
〖举例〗如图1.1.12所示，CMRR将使同相放大模式下的运放的输出失调电压出现一定误差［8］。在图1.1.12中：图1.1.12 计算CMRR引起的失调误差
注意：由于反相运算放大电路中，两输入端都接地（或接虚地），因而不存在CMRR误差，也不存在共模动态电压。
一般单电源放大器的共模抑制比范围是45～100dB。在输入共模电压会随输入信号变化的电路中，放大器的两个输入端共模电压变化引起的误差不能忽视。
任一个运放若共模抑制性能较差都会导致失调误差，并且该误差会被放大添加到电路的输出。特别是放大器处于同相配置的情况。例如，图1.1.13所示电路［3］，有
CMRR=20lg（ΔVCM/ΔVOS） （1.1.9）
VOUT=（AV）（VIN++VOS1-VIN−-VOS2）+VREF1 （1.1.10）
AV=1+R1/R2+2R2/RG （1.1.11）
式中，AV为放大器电路增益。图1.1.13 同相放大器电路
4. 共模抑制比的频率响应
与放大器的开环增益（AOL）特性一样，共模抑制比也是频率的函数，随着频率的升高，共模抑制比的数值开始下降，如图1.1.14所示［11］。在直流和低频时，放大器的共模抑制比能力高于高频时的共模抑制比。同时也能够看出，电源电压也会影响共模抑制比的大小。图1.1.14 共模抑制比与频率响应（LT1014D-EP）
对于仪表放大器，共模抑制比与电路增益也相关，如图1.1.15所示［10］（INA333精密仪表放大器）。不同增益的带宽不同。在同一的频点，增益越高，共模抑制比也越高。图1.1.15 共模抑制比的频率响应与增益（INA333）1.2 LDO线性稳压器电源电路1.2.1 LDO线性稳压器与DC-DC转换器的差异
DC-DC转换的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的转换），只要符合这种转换的转换器都可以叫DC-DC转换器，包括LDO线性稳压器。但是一般的说法是把直流变（到）直流由开关方式实现的器件（电路）叫DC-DC转换器［12］。
LDO是低压降（低压差）的意思，低压降（LDO）线性稳压器的成本低、噪声低、静态电流小，这些是它的突出优点。它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。一些LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声RMS值小于20μV，PSRR>60dB，静态电流<10μA，电压降只有55mV。LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是使用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力，输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。
如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO线性稳压器，可达到很高的效率。例如，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO线性稳压器。虽说电池的能量最后有10%没有被使用，LDO线性稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪声较低。
如果输入电压和输出电压不是很接近，就要考虑用开关型的DC-DC转换器了。因为从上面的原理可以知道，LDO线性稳压器的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在LDO线性稳压器上能量太大，效率不高。
DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路结构形式。DC-DC转换器的优点是效率高，可以输出大电流，静态电流小。随着集成度的提高，许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪声较大，成本相对较高。
近几年来，随着半导体技术的发展，表面贴装的电感器、电容器以及高集成度的电源控制芯片的成本不断降低，体积越来越小。由于出现了导通电阻很小的MOSFET，可以输出很大功率，因而不需要外部的大功率FET。例如对于3V的输入电压，利用芯片上的NFET可以得到5V/2A的输出。其次，对于中小功率的应用，可以使用成本低小型封装。另外，如果开关频率提高到1MHz，还能够降低成本，可以使用尺寸较小的电感器和电容器。有些新器件还增加许多新功能，如软启动、限流、PFM或者PWM方式选择等。
总的来说，升压是一定要选DC-DC转换器，降压是选择DC-DC转换器还是LDO线性稳压器，要在成本、效率、噪声和性能上进行比较。
LDO线性稳压器与DC-DC转换器比较如下［12］：（1）从效率上说，DC-DC转换器的效率普遍要远高于LDO线性稳压器，这是其工作原理决定的。（2）DC-DC转换器有Boost、Buck、Boost-Buck等型，而LDO线性稳压器只有降压型。（3）DC-DC转换器因为其开关频率的原因导致其电源噪声很大，远比LDO线性稳压器大得多，大家可以关注PSRR这个参数。所以当考虑到比较敏感的模拟电路时候，有可能就为保证电源的纯净，要牺牲功率效率，而选择LDO线性稳压器。（4）通常LDO线性稳压器所需要的外围器件简单，占面积小；而DC-DC转换器一般都会要求电感、二极管、大电容，有的还会要MOSFET，特别是Boost电路，需要考虑电感的最大工作电流、二极管的反向恢复时间、大电容的ESR等，所以从外围器件的选择来说比LDO线性稳压器复杂，而且所占面积也相应地会大很多。
现代电子产品通常是一个模数混合系统，模拟电路是其不可缺少的部分。数字电路通常可以采用开关电源供电。模拟电路可以与数字电路共用一个电源，但模拟电路如果直接采用开关电源供电，特别是模拟前端小信号检测和放大电路，开关稳压器输出的噪声电压，将会对模拟电路造成不能容忍的干扰。模拟电路需要采用单独供电，需要为模数混合系统中的模拟电路设计一个供电电路。
在测试与测量、医疗设备、通信设备、基站等噪声敏感型应用中，为保持信号精确度和完整性而言，要求一种内部噪声低且能够抑制电源噪声的电源。低噪声电源用于驱动信号链，包括模拟前端、放大器、数据转换器、时钟、抖动消除器、PLL及众多其他器件。
低噪声电源解决方案设计过程中需要考虑一些标准和参数，包括选择线性稳压器所需的一些重要规范。
〖举例〗一个开关式稳压器的输出噪声频谱［13］如图1.2.1所示，该开关式稳压器工作在500kHz下，将开关式稳压器的输出送至线性稳压器。TI公司的TPS7A4700线性稳压器的输出噪声频谱，如图1.2.2所示，可以看到，500kHz下开关引起的尖峰噪声被削弱。图1.2.1 典型的开关式稳压器输出噪声频谱
〖举例〗在一个RF系统，如果电源解决方案并非为高PSRR线性稳压器噪声抑制而设计，则尖峰可能出现在RF压控振荡器的输出，其在混频后会影响PA性能。这种尖峰还可能会向后折叠进入音频带，并在音频应用中形成噪声。图1.2.2 TPS7A4700线性稳压器的输出噪声频谱（500kHz尖峰的噪声被削弱）1.2.2 模数混合系统的放大器电源电路结构
1. 模拟前端小信号检测和放大电路的供电电路
在一个模数混合系统中，电源电路通常采用开关稳压电路。如图1.2.3（b）所示，DC-DC开关稳压器的输出具有较高的噪声电压，显然会对模拟电路造成干扰。特别是对模拟前端小信号检测和放大电路而言，模拟前端小信号检测和放大电路，往往将远大于所检测的小信号电压，这将是不可容忍的。例如图1.2.3（a）所示，模拟前端小信号检测和放大电路供电需要由专门的线性稳压器电路提供［14］。
2. DC-DC转换器电路
在模数混合系统的电源电路中，DC-DC转换器电路通常为整个系统提供供电。如图1.2.3所示，DC-DC转换器为线性稳压器提供供电。图1.2.3 模数混合系统的电源电路结构
〖举例〗TPS54060是一个DC-DC转换器芯片，输入电压为1.5～60V，具有200mΩ高侧MOSFET，在轻负载时采用PulseSkipping Eco-Mode™具有高效率，116mA的静态工作电流，1.3mA的关断电流，100kHz～2.5MHz的开关频率，与外部时钟同步，可调的慢启动/时序，可调UVLO电压和迟滞，MSOP10和采用PowerPAD™的3mm×3mm SON封装，0.8V内部参考电压（VREF），提供SwitcherPro™ Software Tool（http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/switcherpro.html）和SWIFT™文档（http://www.ti.com/swift）支持。
TPS54060输出正负电压的应用电路形式［15］如图1.2.4所示。图1.2.4 TPS54060输出正负电压的应用电路形式
3. 正电压输出线性稳压器电路
TI、ADI、Maxim等公司可以提供一系列正电压输出线性稳压器芯片。
〖举例〗TI公司的TPS7A49xx正电压输出线性稳压器的输入电压范围为+3～+36V；噪声RMS值为12.7μV（20Hz～20kHz）和11.4μV（10Hz～100kHz）；PSRR为–72dB（120Hz）；可调节的输出电压范围为+1.194～+33V；最大输出电流为150mA；100mA时的输入输出压降为260mV；外接陶瓷电容器大于等于2.2μF；采用MSOP-8 PowerPAD™封装；工作温度范围为–40～+125℃。
TPS7A49xx正电压输出线性稳压器典型应用电路［16］如图1.2.5所示，电路参数计算如下：
式中，VREF为芯片内部基准电压（1.176～1.212V），典型值为1.194V。图1.2.5 TPS7A49xx正电压输出线性稳压器应用电路
4. 负电压输出线性稳压器电路
TI、ADI、Maxim等公司可以提供一系列负电压输出线性稳压器芯片。
〖举例〗TI公司的TPS7A30xx负电压输出线性稳压器的输入电压范围为–3～–36V；噪声RMS值为14μV（20Hz～20kHz）和11.1μV（10Hz～100kHz）；PSRR为–72dB（120Hz）；可调节的输出电压范围为–1.18～–33V；最大输出电流为200mA；100mA时的输入输出压降216mV，外接陶瓷电容器大于等于2.2μF；采用MSOP-8 PowerPAD™封装；工作温度范围为–40～+125℃。
TPS7A30xx正电压输出线性稳压器典型应用电路［17］如图1.2.6所示，电路参数计算如下：
式中，VREF为芯片内部基准电压（-1.202～-1.166V），典型值为-1.184V。图1.2.6 TPS7A30xx负电压输出线性稳压器应用电路1.2.3 LDO线性稳压器简介
低压差（LDO）线性稳压器能够在很宽的负载电流和输入电压范围内保持规定的输出电压，而且输入和输出电压之差可以很小。这个电压差被称为压降或裕量要求，在负载电流为2A时可以低至80mV甚至更低。可调输出低压差稳压器于1977年首次推出。现在，在许多便携式电子设备（系统）中需要使用多个低压差线性稳压器。许多LDO被集成在多功能电源管理芯片（PMIC）中，PMIC是高度集成的系统，拥有20个或以上的电源域，分别用于音频、电池充电、设备管理、照明、通信和其他功能。
然而，随着便携系统的快速发展，集成式PMIC已经无法满足外设电源要求。在系统开发的后期阶段必须增加专用LDO线性稳压器来给各种选件供电，如相机模块、蓝牙、WiFi和其他连接模块。LDO线性稳压器还能用来辅助降低噪声，解决由电磁干扰（EMI）和印制电路板（PCB）布线造成的稳压问题，并通过关闭不需要的功能来提高系统效率。
1. LDO线性稳压器的基本架构
LDO线性稳压器是一个微型的片上系统，它由作电流主通道的、具有极低在线导通电阻RDS（ON）的MOSFET、肖特基二极管、取样电阻、分压电阻、过流保护、过温保护、精密基准源、差分放大器、延迟器、MOSFET等专用电路在一个芯片上集成而成。
采用低压差技术稳定输出电压的LDO线性稳压器方框图［18］如图1.2.7所示。低压差是指在额定负载电流时，VOUT和VIN之间给定的最低差值。图1.2.7 采用低压差技术稳定输出电压的LDO线性稳压器方框图
基本的（一阶）线性稳压器的等效模型［19］如图1.2.8所示，可以由一个电源（输入电压VIN）和两个可变电阻器模拟。电路中，唯一恒定的参数是输出电压VOUT，所有其他的参数都将会不断地改变。输入电压VIN可能会由于外界的干扰而变化，而负载电流也许会因为负载运行状况的动态变化而发生改变。这些变量的变化可能会全部同时发生，而用于将VOUT保持在一个恒定值所需的可变电阻RPASS的数值也将必需相应地改变。当工作条件发生变化时，串联传输元件RPASS的电阻也需要做出改变，这需要利用一个控制环路实现。通常利用一个误差放大器监视采样输出电压，将之与一个已知的基准电压进行比较，并主动地调整RPASS的数值以保持VOUT的恒定。所有线性稳压器的一个共同特性是在负载电流需求发生变化之后，需要一定的时间去“校正”输出电压。这种“时滞”限定了被称为瞬态响应的特性，此特性反映了稳压器在负载变化之后能够以多快的速度恢复稳态运作。图1.2.8 LDO线性稳压器的等效模型
LDO线性稳压器完成电路电源的稳压操作，虽然概念上很简单，但在应用时需要考虑许多方面的因素。
如图1.2.7所示，LDO线性稳压器由参考电压、误差放大器、反馈分压器和传输FET组成，输出电流通过传输器件提供。传输器件的栅极电压由误差放大器控制。误差放大器将参考电压和反馈电压进行比较，然后放大两者的差值以便减小误差电压。如果反馈电压低于参考电压，传输FET的栅极电压将被拉低，允许更多的电流通过，进而提高输出电压。如果反馈电压高于参考电压，传输FET的栅极电压将被拉高，进而限制电流流动，降低输出电压。
这种闭环系统的动态特性基于两个主要的极点，一个是由误差放大器/传输FET组成的内部极点，另一个是由放大器的输出阻抗和输出电容的等效串联电阻（ESR）组成的外部极点。输出电容及其ESR将影响环路稳定性和对负载电流瞬态变化的响应性能。为了确保稳定性，推荐1Ω或以下的ESR值。另外，LDO线性稳压器要求使用输入和输出电容来滤除噪声和控制负载瞬态变化。电容值越大，LDO线性稳压器的瞬态响应性能越好，但会延长启动时间。
TI、ADI、Maxim等公司的LDO线性稳压器在使用规定电容时可以在规定工作条件下达到很好的稳定性能。
2. LDO线性稳压器的效率
提高效率一直是电源设计工程师的永恒追求，而LDO线性稳压器提高效率的途径是降低静态电流（IQ）和前向压降。LDO线性稳压器的效率如下所示：
由于IQ在分母上，因此很明显IQ越高效率就越低。如今的LDO线性稳压器具有相当低的IQ。当IQ< 功耗（PD）=（VIN−VOUT）×IIN （1.2.6） LDO线性稳压器可以提供稳定的电源电压，这种电压与负载和线路变化、环境温度变化和时间无关，并且当电源电压和负载电压之间的压差很小时具有最高的效率。例如，随着锂离子电池从4.2V（满充状态）下降到1.0V（放电后状态），与该电池连接的2.8V LDO将在负载处保持恒定的2.8V（压差小于200mV），但效率将从电池满充时的67%增加到电池放电后的93%。 为了提高效率，LDO线性稳压器可以连接到由高效率开关稳压器（如TPS54060）产生的中间电压轨。例如，使用1.3V开关稳压器时，LDO线性稳压器效率固定为85%，假设开关稳压器效率为95%，那么系统总效率将是81%。 3. 电路特性增强LDO线性稳压器的性能 一些电路特性用来增强LDO线性稳压器的性能。例如，使能输入端允许通过外部电路控制LDO线性稳压器的启动和关闭，并允许在多电压轨系统中按正确的顺序加电。软启动可以在上电期间限制浪涌电流和控制输出电压上升时间。启动时序示意图如1.2.5节的图1.2.16所示。睡眠状态能使漏电流最小，这个特性在电池供电系统中特别有用，并且允许快速启动。当LDO线性稳压器的温度超过规定值时，热关断电路将关闭LDO线性稳压器。过流保护电路可以限制LDO线性稳压器的输出电流和功耗。欠压闭锁电路可以在供电电压低于规定的最小值时禁止输出。1.2.4 选择LDO线性稳压器的基本原则 1. 选用LDO线性稳压器［12］ 当所设计的电路要求分路电源具有下列特点时：● 低噪声、高纹波抑制；● 占用PCB面积小（如手机、手持电子产品）；● 电路电源不允许使用电感器（如手机）；● 电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能；● 要求稳压器低压降、自身低功耗；● 线路要求低成本和简单方案。 此时，选用LDO线性稳压器是最合适、最实用、最方便、最经济的。 2. 选择LDO线性稳压器时需要考虑的基本因素［12］ 选择LDO线性稳压器的基本要素包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。此外，接地引脚端电流IGND或静态电流IQ、电源波纹抑制比（或电源抑制比）PSRR、噪声及封装等也是LDO线性稳压器选择时应关注的因素。（1）输入/输出电压差 输入/输出电压的差值是LDO线性稳压器最重要的参数之一。在保证输出电压稳定的前提下，该电压差越低，稳压器的性能越好，效率越高。反之，在确定LDO线性稳压器是否能够提供预期输出电压时，需要进一步考虑其压降。LDO线性稳压器出现的“压降”是旁路元件（如PMOSFET）的RDS（ON）乘以负载电流。输入电压必须大于预期输出电压与特定压降之和，即VIN>VOUT+VDROPOUT，就是输出电压等于输入电压减去旁路元件的RDS（ON）乘以负载电流。 LDO线性稳压器的最大优点：满载的跌落压降一般小于500mV；轻载时的压降只有10～20mV。（2）低功耗设计 LDO线性稳压器自身存在的静态电流，不容忽视。例如，电池供电时，为最大化电池的运行时间，应选择相对于负载电流来说，IQ极低的LDO线性稳压器。假设，LDO线性稳压器供电时，IQ只增加0.02%的微不足道的电池消耗，那么在100mA负载情况下，采用200μA的IQ就比较合理。 由于电池的放电特性的差异性，某些情况下，压降对电池寿命将产生决定性影响。例如，碱性电池放电速度就比较慢些，其电源电压在压降情况下可以提供比NiMH电池更多的容量。因此，较低的IQ并不能始终保证长电池寿命。必须在IQ和压降之间仔细权衡，以便在电池寿命期间获得最大的容量，这才是最重要的。（3）外围的电容器 LDO线性稳压器的应用电路十分简单，典型的LDO线性稳压器应用时，需要添加额外的输入和输出电容器。选择对电容器稳定性方面没有要求的LDO线性稳压器，可以降低尺寸与成本，另外某些情形甚至可省略这些电容。一般的做法是，选用较低等效串联电阻（ESR）的电容器可提高PSRR、降低噪声以及保持对负载变化的快速瞬态响应能力，而不仅仅是提高电容容量的问题。从这方面讲，可节约一定的成本。 VIN和VOUT的输入和输出滤波电容器，应当选用宽范围的、低等效串联电阻、低价陶瓷电容器，使LDO线性稳压器在零到满负荷的全部量程范围内稳压效果稳定。一些LDO线性稳压器有一个Bypass附加脚，由它连接一个小的电容器，可以进一步降低噪声。 电容器的选择关系到设计产品的质量和成本，电容器的电容值、电介质材料类型、物理尺寸、等效串联电阻等这些重要参数都是设计工程师所要考虑的。在LDO线性稳压器的电路设计中，陶瓷电容器是最好的选择，因为陶瓷电容器无极性并具有低的ESR，ESR的损耗典型值小于100mW。电容器的ESR对输出纹波有重大影响，而ESR受电容器的类型、容量、电介质材料和外壳尺寸影响，如常用的贴片电容器X7R电介质是最好的，但使用成本略高，X5R电介质较好，性能/价格比适宜，而Y5V电介质较差，但成本较低。（4）封装与散热 便携式电子设备存在空间限制问题。选择LDO线性稳压器时应考虑LDO线性稳压器的散热。负载大的LDO线性稳压器应尽可能选择散热性能好的封装，这样有利于LDO线性稳压器性能的稳定。1.2.5 LDO线性稳压器的参数 1. LDO线性稳压器的数据表 在制造商数据手册首页一般是一些摘要信息，通常突出了一些吸引人的器件特性。关键参数经常强调典型的性能特征，但只有查阅了文档中的完整指标和其他数据后才能得到更完整的理解（例如图1.2.9所示［20］）。另外，由于制造商提供指标的方式几乎没有标准可言，因此电源设计师需要理解用来获得电气指标表格中列出的关键参数的定义和方法。系统设计师应该密切关注关键参数，如环境和结点温度范围、图形信息中的X-Y刻度值、负载、瞬态信号的上升和下降时间以及带宽。下面介绍与TI公司LDO线性稳压器特性和应用有关的一些重要参数。图1.2.9 TPS79530的数据表 2. 输入电压范围（Input voltage，VIN） LDO线性稳压器的输入电压范围决定了最低的可用输入电源电压。指标可能提供宽的输入电压范围，但最低输入电压必须超过压降加上想要的输出电压值。例如，150mV的压降对于稳定的2.8V输出来说意味着输入电压必须大于2.95V。如果输入电压低于2.95V，输出电
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