一款雜訊夠小，可直接為雜訊敏感型元件供電的開關電源
前言：
作者：ADI 資深設計工程師 Adam Huff 及資深設計經理 George (Zhijun) Qian
摘要
傳統上，開關模式電源(SMPS)雜訊較高，無法直接用於雜訊敏感型類比數位轉換器(ADC)，因此需要額外的低壓差(LDO)穩壓器來供電。近年來，SMPS技術取得了顯著進展，特別是Silent Switcher®架構和電磁干擾(EMI)雜訊遮罩技術的應用，其有效降低了EMI輻射和輸出漣波電壓。得益於此，我們可以將採用雜訊抑制技術的單一SMPS元件置於雜訊敏感型元件附近，而不會影響ADC的訊號雜訊比(SNR)。本文便將詳細探討這項技術。
引言
您是否遇到過ADC的輸出結果出現輕微偏差和隨機變化的情況？這可能是由ADC系統內部的雜訊引起的。一個常見的噪音源是壓控振盪器(VCO)的供電軌。此供電軌上的雜訊可能會為時脈訊號帶來抖動，而時脈訊號隨後會用於ADC的取樣時脈。如果抖動較大，ADC轉換就可能出現誤差，進而產生異常資料。
眾所皆知，SMPS在電壓轉換過程中需要進行開關操作，因此不可避免地會產生雜訊。如果將SMPS用於時脈的供電軌，就會將雜訊引入ADC系統。為了盡可能縮小誤差，通常採用具備雜訊抑制能力的LDO穩壓器為雜訊敏感型元件供電。
ADI的LTM8080降壓型穩壓器SMPS等元件，整合了後調節雙LDO穩壓器和雜訊抑制技術。類似於獨立的LT3045LDO穩壓器，此款SMPS元件能夠提供低雜訊供電軌。
為什麼必須關注供電軌雜訊？
供電軌雜訊是能夠對系統性能產生顯著影響的一個關鍵因素。圖1中，LT3045 LDO穩壓器用於低雜訊供電軌，為ADF4372頻率合成器的VCO供電。然後，ADF4372為AD9208 ADC和FPGA板生成時脈訊號。圖2顯示了從LT3045 LDO穩壓器輸出獲得的相位雜訊圖，此圖可作為比較備選供電軌方案的基準。
圖1.VCO/ADC設定的基本框圖
圖2.作為基準的LT3045相位雜訊圖（1 GHz，2 MHz範圍）
相較於基準設計，如果採用雜訊較高的供電軌，雜訊頻譜圖會不太理想，如圖3所示，其中邊頻略有升高。當這些邊帶達到一定水準時，會為ADC採樣時脈的升緣帶來抖動（圖4）。結果，ADC會在非預期的時間點對類比輸入訊號進行取樣，導致生成包含位元錯誤的異常資料字組。
位元錯誤的發生可能會造成顯著的後果，尤其是當位元錯誤的情況很嚴重時。ADC的實際資料字組與預期資料字組的偏差可能會觸發系統出現意外行為。例如，如果資料字組指示的輸入電壓高於實際電壓，元件可能會在系統尚未準備好的情況下被提前啟動。在安全關鍵應用中，這種意外狀態可能會導致安全特性被禁用。
圖3.高雜訊SMPS的相位雜訊圖示例（1.23 GHz，2 MHz範圍）
得益於EMI雜訊遮罩技術，SMPS現在可以放置在LDO穩壓器附近，而不會將開關雜訊耦合到LDO穩壓器的輸出端。如果將SMPS和LDO穩壓器封裝在一起，那麼除了降低雜訊之外，還能獲得其他優勢。參見表1。
圖4.高雜訊VCO供電軌引起ADC採樣時脈邊緣抖動（VCO輸出），進而造成ADC採樣誤差
單一封裝中整合開關降壓轉換器和LDO穩壓器的優勢
表1.SMPS + LDO穩壓器相較於獨立LDO穩壓器的優勢
|
設計特性 |
SMPS + LDO穩壓器 |
LDO穩壓器 |
|
輸入電源彈性 |
輸入範圍寬（3.5 V至40 V） 標準輸入電壓軌 |
輸入範圍窄 |
|
PCB佈局簡單 |
雜訊敏感型佈線位於元件內部 僅需基本PCB佈線技術 元件可以放置在其他雜訊敏感型元件附近 |
需要特別佈線以盡可能降低雜訊 需要更先進的PCB佈線技術 |
|
節省PCB空間 |
從12 V/24 V供電軌到LDO穩壓器輸出電壓的直接電壓轉換 無需不常見的中間匯流排電壓 |
可能需要額外的穩壓器來將 12 V/24 V供電軌轉換為特定中間匯流排電壓 |
|
設計簡單 |
設計已經過充分測試和優化 用戶可以隨插即用 |
需要更多前期設計/測試以盡可能降低雜訊 |
|
潛在的系統效率提升 |
寄生損耗更低 優化的LDO穩壓器餘裕 降壓調節器部分可以直接為其他外部LDO穩壓器供電 |
|
將開關降壓轉換器(SMPS)與LDO穩壓器集於一體的元件具備多項優勢。其可以由12 V或24 V等標準供電軌供電，輸入電源非常彈性。此外，可以設計中間匯流排來維持一個高於LDO穩壓器輸出的特定電壓，如此即使元件由較高電壓供電也能穩定工作。這種「電壓輸入到輸出控制」(VIOC)特性透過控制上游SMPS的輸出，確保LDO穩壓器具有設定的餘裕。要想在提升效率的同時保持電源抑制比(PSRR)，VIOC不可或缺。
SMPS與LDO穩壓器的組合，使得對雜訊敏感的佈線可以在元件內部電路中進行。因此，只需在PCB層面應用基本佈線技術，即足以優化元件的雜訊性能。
此外，得益於完全整合的EMI雜訊遮罩，晶片內SMPS的雜訊不是向各個方向輻射，而是被引導至遠離LDO穩壓器的方向。此項技術使得開關穩壓器可以放置在LDO穩壓器附近，而不會影響LDO穩壓器的雜訊抑制能力。因此，此款完全整合的元件可以佈置在過去因雜訊問題而不適合佈置SMPS的區域。
如果元件的SMPS部分能夠提供比LDO穩壓器額定值更大的電流，則可以將多個LDO穩壓器整合到封裝中。此外，外部LDO穩壓器可以連接到中間匯流排，進而為使用者的設計提供更大的彈性。
為了確保符合元件資料手冊中提到的規格，我們對這款完全整合的SMPS加LDO穩壓器組合元件進行了全面的測試，以保證元件滿足規定的要求。
雜訊低如LDO穩壓器的開關降壓轉換器
相較於基準LDO穩壓器方案，LTM8080的輸入電源電壓彈性更大，而且功率損耗更低。圖5展示了採用LTM8080的示例解決方案所展現的設計彈性。LTM8080與共封裝的降壓穩壓器和LDO穩壓器整合EMI雜訊遮罩，能夠有效引導輻射雜訊的傳播方向。
圖5.LTM8080解決方案取代了ADF4372SD2Z評估板上的兩個LT3045 LDO穩壓器，而且支援可選的用戶自訂第三LDO穩壓器輸出，以實現更大的系統彈性。
比較LTM8080和LT3045的雜訊抑制能力，兩者的測量結果幾乎完全一致。表2展示了SNR比較結果，圖6顯示相位雜訊圖。因此，LTM8080可用於LT3045的替代方案，既能有效減少位元錯誤，亦更能抑制雜訊。
表2.SNR比較：LTM8080對比LT3045
|
ADF4372：5 V PLL時脈電源 |
SNR：AD9208 |
|
LT3045（基準） |
53.6 dBFS |
|
LTM8080 |
53.6 dBFS |
圖6.相位雜訊圖：LTM8080（左）與LT3045（右）
結論
測試結果清楚地顯示，具備先進雜訊抑制技術（例如EMI雜訊遮罩）的SMPS元件可以有效取代LDO穩壓器來為雜訊敏感型供電軌供電。儘管概念驗證主要針對VCO供電軌，但整合SMPS和LDO穩壓器的解決方案所具備的設計彈性，也能惠及許多其他對雜訊敏感的應用。
