【導讀】在復雜的電子系統(tǒng)設計中，電源管理單元的效能與可靠性直接決定了整體性能的邊界。其中，實現(xiàn)從輸入電壓到輸出電壓的精準、高效與穩(wěn)定控制，是工程師面臨的核心挑戰(zhàn)之一。本文將聚焦于一種先進的解決方案——電壓輸入至輸出控制（VIOC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)巧妙融合了具備VIOC特性的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）與開關穩(wěn)壓器，不僅能夠顯著優(yōu)化功耗、抑制噪聲，還能在動態(tài)與故障條件下為系統(tǒng)提供堅實保護。本系列文章的第一部分，將為您快速解析VIOC系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)勢，并提供具體的器件選型與設計實施指南，為構(gòu)建更穩(wěn)健、高效的電源鏈路奠定基礎。
摘要
在復雜的電子系統(tǒng)設計中，電源管理單元的效能與可靠性直接決定了整體性能的邊界。其中，實現(xiàn)從輸入電壓到輸出電壓的精準、高效與穩(wěn)定控制，是工程師面臨的核心挑戰(zhàn)之一。本文將聚焦于一種先進的解決方案——電壓輸入至輸出控制（VIOC）系統(tǒng)。該系統(tǒng)巧妙融合了具備VIOC特性的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）與開關穩(wěn)壓器，不僅能夠顯著優(yōu)化功耗、抑制噪聲，還能在動態(tài)與故障條件下為系統(tǒng)提供堅實保護。本系列文章的第一部分，將為您快速解析VIOC系統(tǒng)的架構(gòu)優(yōu)勢，并提供具體的器件選型與設計實施指南，為構(gòu)建更穩(wěn)健、高效的電源鏈路奠定基礎。
引言
在電源管理領域，低壓差(LDO)穩(wěn)壓器對確保電子元器件獲得高性能電源起著關鍵作用。LDO的低噪聲性能至關重要，尤其是在精密模擬電路、RF系統(tǒng)和醫(yī)療設備等噪聲敏感型應用中，LDO可提供純凈的電源，有效降低干擾，增強信號完整性。LDO與電壓輸入至輸出控制(VIOC)功能及兼容的開關穩(wěn)壓器配合使用時，可形成一個始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統(tǒng)。這種設計不僅能顯著降低噪聲，實現(xiàn)高電源電壓抑制比(PSRR)，還能確保系統(tǒng)高效運行、受到保護且具備強大性能。本文深入探討了實現(xiàn)VIOC的復雜細節(jié)，并闡述了VIOC的優(yōu)勢和實際應用。通過了解VIOC的協(xié)同作用，工程師可以優(yōu)化各種電子設備的電源管理解決方案。
無論是否帶有VIOC，LDO都屬于電源管理產(chǎn)品類別。電源管理涉及使用穩(wěn)壓器或轉(zhuǎn)換器等集成電路(IC)來為放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器或處理器等電子負載供電。LDO是電源管理IC的一個子類，旨在為電子負載直接供電，主要作用包括：提升負載性能，有效降低負載之間不必要的相互干擾，確保系統(tǒng)中的電源IC和負載按正確時序上電和關斷。
帶VIOC的LDO通過內(nèi)部電路提供一個外部信號來控制為LDO供電的開關穩(wěn)壓器的輸出，從而使LDO的輸入輸出電壓差保持恒定，如圖1所示。線性穩(wěn)壓器本質(zhì)上是晶體管電路，能夠以相對較低的噪聲供電，但對輸入輸出電壓差很敏感，效率也由此決定。開關穩(wěn)壓器通過功率晶體管（開關）的快速切換來傳輸能量。開關穩(wěn)壓器使用功率開關及電感和二極管，高效地將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更適合為LDO供電的電壓。
圖1.此VIOC系統(tǒng)為LDO維持一致的輸入輸出電壓差
使用VIOC將降壓轉(zhuǎn)換器與LDO相結(jié)合以增強性能
典型的VIOC電路采用降壓開關穩(wěn)壓器來為具有VIOC特性的LDO供電。由此得到的電路是一種非常強大的配置，兼具降壓穩(wěn)壓器的高效率特性和LDO的低噪聲性能。降壓穩(wěn)壓器又稱為降壓轉(zhuǎn)換器，是一種開關轉(zhuǎn)換器，能夠高效地將輸入轉(zhuǎn)換為低于輸入電壓的穩(wěn)定輸出。
創(chuàng)建VIOC電路的第一步是選擇LDO和開關穩(wěn)壓器。ADI公司提供多種集成VIOC功能的LDO。LT3045-1和LT3041系列及LT3073、LT3074和LT3078系列均有最新版本的VIOC特性。LT3045-1和LT3041線性穩(wěn)壓器的輸出電流范圍為500 mA至1 A，輸入電壓范圍約為2 V至20 V，只需要一個輸入電源。LT3073、LT3074和LT3078的輸出電流范圍為3 A至5 A，輸入電壓范圍為0.6 V至5.5 V，需要一個額外的低電流BIAS輸入電源。任何帶有反饋(FB)引腳的開關穩(wěn)壓器都可以與這些使用VIOC的LDO組合使用，但在選擇設計所用開關穩(wěn)壓器之前，請注意以下事項：
? 支持VIOC的LDO可與任何類型的開關穩(wěn)壓器拓撲配合使用，但最常與降壓穩(wěn)壓器配合使用。
? LT3045-1和LT3041 LDO必須與FB電壓為1 V或更低的開關穩(wěn)壓器搭配，使得LDO VIOC引腳可以在1 V電壓下工作（有關詳細信息，請參閱數(shù)據(jù)手冊）。
? 在VIOC系統(tǒng)中，具有補償引腳的開關穩(wěn)壓器與沒有補償引腳的開關穩(wěn)壓器相比，可能更容易穩(wěn)定。
? 開關穩(wěn)壓器和LDO評估板可以方便地評估VIOC系統(tǒng)硬件的工作。
? 具有VIOC功能的LDO不能與Silent Switcher? 3 (SS3)開關穩(wěn)壓器搭配使用，因為SS3穩(wěn)壓器沒有常規(guī)FB引腳。
? 與典型VIOC電路相比，帶有集成高側(cè)反饋電阻的μModule?穩(wěn)壓器無法使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差。
? 使用VIOC的電路需要專用電壓軌作為LDO前級，而不是支持多個電壓軌的前級。
? 與獨立LDO設計相比，VIOC需要更多元件。VIOC電路所需的額外元件包括：為LDO供電的開關穩(wěn)壓器的反饋分壓器中的額外電阻器，以及開關穩(wěn)壓器輸出通常使用的額外電容。
為了簡化設計過程，ADI提供了指導，說明哪些降壓開關穩(wěn)壓器最適合搭配帶有VIOC特性的特定LDO使用。表1列出了與具有VIOC的推薦LDO組合使用的合適開關穩(wěn)壓器，并提供了所有LDO的說明。這些搭配基于前面列出的考慮因素，因此在構(gòu)建由降壓穩(wěn)壓器和具有VIOC特性的LDO組成的VIOC電路時，請遵循上文和表1中給出的指導。表1所列LDO的數(shù)據(jù)手冊中提供了許多VIOC電路參考設計。
表2提供了表1所列降壓穩(wěn)壓器的詳細說明。這些信息有助于設計人員選擇不僅滿足電氣要求，而且符合限制條件（例如開關穩(wěn)壓器的輸入電壓范圍、負載電流能力和工作電流）的穩(wěn)壓器。除了推薦用于VIOC的開關穩(wěn)壓器外，表2還列出了開關穩(wěn)壓器的反饋引腳電壓、可用模式、評估板產(chǎn)品型號和補償引腳的可用性。
VIOC的噪聲最小化和高PSRR優(yōu)勢
如上所述，當LDO與VIOC功能及兼容的開關穩(wěn)壓器配合使用時，可形成一個始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統(tǒng)，從而不僅顯著降低噪聲，實現(xiàn)高PSRR，還能提升性能。
表1.推薦用于VIOC系統(tǒng)的LDO和開關穩(wěn)壓器
表2.表1推薦的開關穩(wěn)壓器的說明
有些用戶只是想改變LDO的輸出電壓，但不希望采用復雜的方案來調(diào)節(jié)給LDO電源供電的開關穩(wěn)壓器的輸出電壓。與圖1中的電路相反，圖3所示的電路沒有VIOC，因此當調(diào)高或調(diào)低LDO輸出時，開關穩(wěn)壓器的輸出保持不變。圖2顯示，圖3電路的PSRR性能在LDO輸出電壓較高情況下會下降，原因是在LDO輸出電壓增加而LDO輸入不增加的情況下，開關穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波在LDO輸出端引起的噪聲會增加。
圖2.這些示波器截圖針對的是圖3中的電路，表明隨著LDO輸出電壓提高，PSRR引起的噪聲會加劇
現(xiàn)在考慮一下VIOC相比圖2和圖3所示例子的優(yōu)勢。圖1電路所示的VIOC系統(tǒng)會在LDO輸出發(fā)生變化時，維持LDO的輸入輸出電壓差一致，使旨在有效抑制噪聲的PSRR保持高水平。開關穩(wěn)壓器的輸出電壓會在LDO輸出降低時自行調(diào)低，在LDO輸出提高時自行調(diào)高。因此，當LDO的輸出電壓變化到三個不同電平時，開關穩(wěn)壓器的輸出電壓紋波在LDO輸出端引起的噪聲依然保持較低水平，如圖4所示。
圖3.此電路不使用VIOC
VIOC的優(yōu)勢：提升效率、加強保護和優(yōu)化運行
除了噪聲最小化、高PSRR優(yōu)勢之外，具有VIOC的系統(tǒng)還能始終保持最佳的輸入輸出電壓差，使其工作高效、安全且性能強大。效率方面的優(yōu)勢是顯而易見的，因為當LDO輸出電壓降低而LDO輸入電壓保持不變時（如圖3電路所示），LDO的功耗會增加，效率會降低。對于圖1中的VIOC系統(tǒng)，即使LDO輸出發(fā)生變化，VIOC也能使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差，因此功耗保持不變。
圖4.這些示波器截圖針對的是圖1中的電路，表明PSRR引起的噪聲始終很低，原因是該電路使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差
此外，在不使用VIOC的系統(tǒng)中，某些情況和故障可能會導致LDO輸入輸出電壓差增大到不可接受的水平。例如，如果開關穩(wěn)壓器輸出和LDO輸出都被設定為相對較高的電壓，并且LDO上存在輸出短路故障，則LDO輸入輸出電壓差可能會急劇增大。LDO上的輸出短路故障會導致LDO兩端的輸入輸出電壓差過高，因為沒有VIOC來強制開關穩(wěn)壓器的輸出電壓降低并維持設定的LDO輸入輸出電壓差。當LDO輸出短路時，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差會大大增加LDO的功耗，使得LDO溫度可能超過建議工作溫度，從而造成可靠性降低。
當LDO輸出短路時，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差還會阻止LDO在短路輸出故障消除后正?；謴停驗樵S多高壓LDO具有一種稱為限流折返的保護特性。
限流折返是電源和穩(wěn)壓器中使用的一種保護技術，用于在發(fā)生過流或短路情況時降低輸出電流。與在故障期間維持恒定電流的簡單限流不同，折返限流會同時降低輸出電壓和電流，從而降低電路元件的功耗。這有助于保護電源和相連器件免于因過熱和過大電流而受損。1
圖5顯示了LT3041 LDO的典型限流折返。注意在圖5中，當輸入輸出電壓差大于11 V時，LDO能夠輸出更小的電流。ADI的許多LDO數(shù)據(jù)手冊都包含一個名為“過載恢復”的章節(jié)，其中解釋了當LDO輸出上的短路故障消除后，為什么限流折返可以阻止輸出電壓設定值和負載相對較高的LDO恢復到正確的輸出電壓。
圖5.LT3041 LDO的典型限流折返
無VIOC的電路中的限流折返也會阻止高電壓電路正常啟動，因為當電路開啟時，LDO的輸出電壓最初為零伏，然后逐漸上升至正常運行期間的期望輸出穩(wěn)定電壓。如果輸入電壓在開啟時相對較高，限流折返可能會過度限制LDO電流，并阻止LDO輸出電壓上升至期望的穩(wěn)定電壓。VIOC自動維持正確的開關穩(wěn)壓器輸出電壓，從而維持正確的LDO輸入輸出電壓差，確保電路在故障和啟動情況下都能正常工作。
結(jié)語
本系列的第一部分為理解如何使用支持VIOC的LDO與降壓穩(wěn)壓器的組合（現(xiàn)代應用中最普遍的配置）來設計高效、低噪聲電源系統(tǒng)奠定了基礎。本文還探討了推薦的LDO與開關穩(wěn)壓器搭配方案及其背后的依據(jù)，說明了深思熟慮的器件選擇能夠顯著提升系統(tǒng)性能。本文展示了如何利用VIOC特性降低輸出噪聲、提高熱效率，并增強啟動和過載恢復期間的系統(tǒng)保護和性能。
本系列的第二部分將探討這些器件如何保持恒定的輸入輸出電壓差，并介紹可簡化VIOC系統(tǒng)實現(xiàn)的實用工具。
參考文獻
1 T.K.Hareendran，“Foldback Current Limiting - Little Secrets”，Codrey，2021年11月。
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