在当今的电子系统中，设计高效且低噪声的电源解决方案对于利用高性能模拟信号链的噪声敏感型系统而言至关重要。不同的系统和频率范围，其噪声敏感度存在差异。例如，超声成像应用特别容易受到低频或 1/f 噪声的影响；而采用高性能数据转换器的系统则容易受到互调失真的影响，基频输出纹波与载波信号相互作用产生的和差量，会导致数据转换器的信噪比 (SNR) 和无杂散动态范围 (SFDR) 显著下降。此外，电磁干扰 (EMI) 在必须遵守严格 EMI 标准和认证条件的系统中也是一个关键因素。
　　典型降压调节器的噪声问题
　　图 1 展示了典型降压调节器工作在稳态脉宽调制 (PWM) 模式下的噪声频谱。典型降压调节器通常会产生低频宽带噪声，主要源于基准电压源的噪声，这可能导致敏感 RF 器件（如集成压控振荡器 (VCO) 的宽带锁相环 (PLL) 频率合成器）出现相位噪声问题，如图 2 所示。同时，基频纹波及其谐波会在整个噪声谱中引入强杂散能量，基频纹波是开关稳压器输出端存在的残余交流电压，与稳压器的开关操作相干，其基频与转换器的开关频率一致，这种伪像会通过调制模拟输入载波影响数据转换器，降低 SFDR 和 SNR 性能，如图 3 所示。另外，高频谐波源于开关节点的电压振铃，由快速开关变换 (di/dt) 和稳压器输入环路内寄生电感共同引起，如图 4 所示，这会加剧 EMI 和信号完整性问题，并可能通过寄生方式耦合到稳压器的输出端。
　
　　图 1. 降压调节器输出频谱
　　　图 2. 集成 VCO 的宽带 PLL 频率合成器的相位噪声
　　　图 3. 16 位、125 MSPS 高速 ADC 快速傅立叶变换
　　　图 4. 降压调节器的输入电流环路和开关节点电压波形
　　噪声问题的解决方法
　　Silent Switcher?3 (SS3) 架构有效解决了低频噪声（特别是 1/f 噪声）问题，在此区域内实现了出色的低噪声表现。对于基频纹波，可采用多种技术减轻。RC 滤波器设计简单，但为实现足够低的 3 dB 截止频率以有效衰减纹波，需要大电容 (C) 和小电阻 (R)，这可能因串联电阻产生较大功率损失，导致在许多应用中效率较低，不过在电源电流相对较低时可接受，且其不需要磁元件，衰减斜率为 20 dB / 十倍频程。LC 滤波器也是常见且高效的方法，截止频率通常设计为比开关频率低至少一个数量级，衰减斜率更陡，达到 40 dB / 十倍频程，衰减效果更好，但设计时需注意谐振效应，可能意外放大噪声，这两种无源滤波器方法都会影响电压输出精度和瞬态性能，如图 5 所示。
　　　　图 5. RC 和 LC 无源滤波器
　　具有高增益带宽积 (GBW) 的 LDO 可以有效抑制兆赫兹范围内的基频纹波，同时实现出色的低噪声表现。但需仔细权衡利弊，如保持足够的电源电压抑制比 (PSRR) 和整体效率。相较于无源滤波器，将 LDO 用作后置调节级的方案更具优势，包括更高的输出电压精度和更好的瞬态响应性能。为实现良好的解决方案，需仔细平衡 VIN – VOUT 裕量与 LDO 的 PSRR 特性。高频谐波（通常在 100 MHz 及以上的范围内）可通过铁氧体磁珠有效衰减，这些元件在目标高频下表现出电阻特性，但会带来谐振效应和不同负载条件下的阻抗变化等复杂问题，设计时必须仔细评估。为实现出色的高频噪声表现，可采用 Silent Switcher 架构，通过显著降低开关节点的高频振铃使 EMI 最小化，成为适合噪声敏感型应用的高度稳健解决方案。
　　开关稳压器利用 LDO 增强输出噪声性能
　　LDO 通常放置在开关稳压器之后用于后置调节，以滤除某些频率范围内的噪声伪像。LDO 在抑制低频（最高数百千赫兹）噪声方面通常非常有效，高增益带宽的 LDO（如 LT3045）将此能力扩展到兆赫兹范围，提供优越的 PSRR 性能。该器件是一款 20 V、 500 mA 的高性能、超低噪声、超高 PSRR 稳压器，适合对噪声敏感的应用。与无源滤波器相比，LDO 具备更高的输出电压精度、增强的稳定性和优越的瞬态响应等优势。
　　LDO 用作后置调节滤波器时，PSRR 是关键参数，它衡量稳压器在一系列频率下抑制或衰减输入电源噪声、防止噪声传播到输出端并影响电压完整性的能力。然而，PSRR 与负载电流和裕量电压（输入电压与输出电压之差）都有关。负载电流影响 LDO 误差放大器开环增益，轻载条件下，调整元件阻抗高，与输出电容形成的极点偏移至较低频率，增强 LDO 抑制电源纹波的能力；重载条件下，误差放大器输出阻抗降低，开环增益下降，PSRR 降低，尤其是在 DC 与反馈环路的单位增益带宽之间的频率范围内。随着裕量减少，误差放大器增益降低，这种效应在负载电流提高时更明显，导致 PSRR 性能下降。因此，LDO 作为后置调节滤波器非常有效，但其性能与电压裕量和负载电流密切相关，必须对这两项参数进行精细控制。增加裕量可改善电源纹波抑制，但会导致功耗升高、效率降低，尤其是在负载电流较高的情况下。系统设计人员需在有效的噪声滤波和足够的电压裕量之间找到平衡点，以维持高效率，这是实现整体设计的性能和节能目标的关键。
　　　图 6. 功能框图
　　ADI 优化效率和 PSRR 性能的方法
　　ADI 提供差异化解决方案，将开关稳压器与 LDO 结合作为后置调节滤波器，具有自适应裕量控制功能，可实现效率和电源噪声抑制的平衡。一种方法基于负载电流的动态变化，低噪声微功耗管理 IC ADP5003 在转换的第一级集成了高效率 3 A 降压调节器，其后是超低噪声 3 A LDO，用来消除开关纹波和噪声。它提供自适应裕量控制配置，能在最小化噪声的同时，提升效率和散热性能，适用于高速数据转换器和 RF 收发器，如图 6 所示为 ADP5003 自适应裕量控制的功能框图。在自适应模式下，LDO 会根据自身的负载电流，在内部调节降压转换器的输出电压，从而动态调整其裕量，确保实现良好的效率和噪声表现。另外，ADP5003 也可在独立模式下运行，在该模式下，降压转换器和 LDO 分别独立工作，输出电压通过外部电阻分压器单独设置。图 7 显示了整个 LDO 负载电流范围内的自适应裕量控制。
　　　图 7. 自适应模式裕量与负载电流的关系
　　自适应裕量控制模式下的裕量方案配置为在不同负载条件下保持一致的 PSRR，同时提升系统整体效率，如图 8 所示。
　　　图 8. LDO PSRR 与频率的关系
　　另一种方法基于 VOUT 的动态变化，电压输入到输出控制 (VIOC) 是 ADI 公司某些 LDO 的一个关键特性。它通过自动调整开关稳压器的输出来维持规定的裕量电压，从而提升系统效率。虽然 VIOC 不会自动选择最佳 PSRR，但用户可以手动定义裕量电压，为特定应用实现期望的 PSRR 性能。以 LT3045-1 为例，该器件具有 VIOC 特性，是一款 20 V、500 mA 的超低噪声、超高 PSRR 线性稳压器。图 9 展示了一个典型 VIOC 应用，它被用于对 LT8608 降压调节器的输出进行后置调节。VIOC 电压配置为 1 V，LDO 的最大输入电压限制为 16.5 V。其中还展示了如何使用电阻分压器来轻松配置输入到输出差模电压，使设计人员能够根据特定应用要求调整 PSRR 和功耗之间的平衡。
　　　图 9. 典型的 LT3045-1 后置调节应用
　　利用带电流基准架构的开关稳压器
　　电流基准架构是一种设计方法，它将精密电流源，而非传统的基准电压源，用作调节输出电压的核心元件。它具有单位增益误差放大器，输出电压可通过单一电阻轻松设置。这种方法在线性稳压器中特别有利，并且越来越多地用于开关转换器，以满足高性能应用的需求。图 10 中的降压型 IC 就采用了这种架构。
　　图 10. 降压型 IC 的电流源基准架构
　　ADI 公司的多款线性稳压器采用了电流基准架构，例如 LT3080 和 LT3045，实现了高精度和低噪声。LT3080 是一款可调 1.1 A 低压差稳压器，内置精密电流源和电压跟随器，可支持需要大电流和输出调节能力（可调至 0 V）的应用。高集成度开关转换器，例如 58 V、4 A 降压型 ?Module? 稳压器 LTM4653 和基于 SS3（第三代低噪音）技术的稳压器，通过采用电流基准架构来提升低噪声性能并降低 EMI，同时保持高效率和小尺寸。
　　电流基准架构具有诸多优势：输出可调节到 0 V，这在使用传统基准电压的情况下很难实现；简化输出电压设置，使用单一电阻，节省元件数量和空间；在整个输出电压范围内性能一致，以单位增益工作，无论输出电压如何，都能确保稳定的带宽和瞬态响应。凭借 ADI 的先进 SS3 技术，输出噪声（0.1 Hz 到 100 kHz）在整个输出电压范围内始终保持较低水平，确保无论输出电压电平如何，性能都很稳定。
　　通常，具有 VIOC 功能的 LDO 不能与 SS3 开关稳压器搭配使用，因为 SS3 稳压器没有常规 FB 引脚。图 11 显示了一种新架构，它使用电流源基准开关稳压器，根据开关稳压器 SET 引脚和 LDO 输出之间的电阻生成输出电压。借助具有电流源基准特性的 DC-DC 转换器，可以巧妙高效地实现类似于先进 LDO 的 VIOC 特性的功能。在此设置中，第一级开关转换器使用其 SET 引脚处的电流源基准，并通过一个电阻将其连接到第二级 LDO 的输出电压，从而实现动态裕量控制并改善噪声性能。
　　　图 11. 利用电流源基准和 LDO 进行裕量控制的降压调节器框图