用于高精度数据采集系统的 36V 输入、低输出噪声、5A μModule 稳压器

引言

    具有高数据速率 FPGA I/O 通道和高位数数据转换器的应用对于电源有着诸多严格的要求，低输出噪声、快速瞬态响应和高效率只不过是其中的几个。电源设计人员面临的难题是怎样用尽可能少的组件来满足所有这些要求，因为没有单一拓扑能轻而易举地同时满足上述三项要求。

    例如，高性能线性稳压器虽能实现所需的低输出噪声和快速瞬态响应，但其功率耗散往往高于开关拓扑，因而会产生热问题。而另一方面，开关稳压器尽管通常比线性稳压器的工作效率高且运行温度较低，但其会显著地产生更多输出噪声，而且对于瞬变的响应也没有那么快。电源设计师常常采取把这两种拓扑组合起来使用的方法，即先采用一个开关稳压器对相对较高的总线电压进行高效降压，随后使用一个线性后置稳压器来产生低噪声输出。虽然可运用这种方法产生一个低噪声电源，但需要小心设计以实现高效率和快速瞬态响应。

    若想同时拥有线性稳压器和开关稳压器两者的优势，那么采用 LTM®8028 是一种比较容易的方法，其通过将这两种稳压器整合到单个器件中，实现了低噪声、快速瞬态响应和高效率。

集成型开关和线性稳压器

    LTM8028 是一款 36VIN、5A μModule® 稳压器，其将一个同步开关转换器和低噪声线性稳压器集成在一个 15mm x 15mm x 4.92mm BGA 封装中。该器件的工作输入电压范围为 6V 至 36V，并具有一个可设置在 0.8V 和 1.8V 之间的输出电压。两个转换器的组合在 –40°C 至 125°C 温度范围内产生严紧的电压和负载调节容差。

    开关频率可通过 RT 电阻器在 200kHz 至 1MHz 之间调节，或者由 SYNC 引脚使内部振荡器同步至一个外部时钟。可以利用 IMAX 引脚减小 5A 的电流限值。PGOOD 引脚可用于检测输出电压何时处于目标值的 10% 以内。

采用 SENSEP 的 PCB 走线电压补偿

    μModule 稳压器与负载之间的 PCB 走线电阻会产生电压降，因而在负载点上引起负载调节误差。当输出电流增大时，该电压降相应地增加。为消除这一电压误差，LTM8028 的 SENSEP 引脚可直接连接至负载点。

可编程输出电压

    通过控制 LTM8028 的三态输入 (VO0、VO1 和 VO2)，即可以 50mV 的增量对输出电压进行数字编程。此外，还可使用 MARGA 引脚通过模拟控制对输出进行裕度调节，其可提供高达 ±10% 的输出电压调节幅度。

DC1738A 突显了 LTM8028 的性能

    图 1 示出了一款 1.8V 输出应用电路。LTM8028 采用 15mm x 15mm x 4.92mm BGA 封装并布设于演示电路 DC1738A 之中，如图 2 所示。

图 1：μModule 稳压器具有 6V ~ 36V 宽输入范围，可产生低噪声 1.8V 输出电压和高达 5A 输出电流

采用 LTC2185 ADC 的噪声测试比较

    当给高速模数转换器 (ADC) 供电时，应采用一个尽可能干净的电源，这一点是很重要。存在于电源轨上的任何开关寄生噪声都将转换为 ADC 输出频谱中的 AM 调制。我们对一款 16 位 ADC LTC®2185 的噪声性能进行了评估，以了解采用 (1) 一个典型 LDO、(2) 一个典型开关稳压器和 (3) LTM8028 低噪声 μModule 稳压器之间的差异。该测试的简化原理图示于图 3，其中的 DUT 由任一种配置来代表。

图 2：LTM8028 可构建一款采用极少组件数的稳压器，能满足严格的噪声、效率和瞬态响应要求

图 3：采用不同的电源给 16 位 LTC2185 ADC 供电的噪声测试原理图

    图 4 示出了采用三种不同方法给 LTC2185 供电并以 100Msps 速率对一个 70MHz 音调进行采样时的 FFT 曲线图。LDO 提供了一个干净的电源，可实现 76.22dB 的 SINAD。然而，当采用一个典型的 250kHz 开关稳压器来供电时，在基频周围存在寄生噪声和一个 250kHz 的失调频率。这些就是在载频周围进行 AM 调制的开关稳压器寄生噪声。采样过程在基带上产生了 250kHz 寄生噪声。因此，SINAD 降至 71.84dB，与采用 LDO 时相比低了大约 4dB。这把 LTC2185 降低至接近 12 位性能。在十分之几 dB 都很重要的苛刻应用中，由于噪声稳压器导致 4dB SINAD 损失是不能接受的。除了使 ADC 的 SINAD 性能下降之外，这些寄生噪声还有可能落在相邻通道或其他有用信号上，从而造成无法从这些通道接收有意义的数据。当使用 LTM8028 时，在期望频率的附近仅存在少量的外来噪声，而且 SINAD 性能相比于 LDO 底线只下降了 0.03dB。在开关稳压器频谱中非常明显的寄生含量几乎完全消除。因此，当采用 LTM8028 稳压器时 LTC2185 将不会出现任何的性能劣化。

图 4：32k 点 FFT，fIN = 70.3MHz，–1dBFs，100Msps，采用 CMOS 时钟驱动

结论

    LTM8028 μModule 稳压器整合了一个线性稳压器和一个开关稳压器，以形成一款具有极少功率损耗、低噪声和 UltraFastTM 瞬态响应特性的 DC/DC 转换器，所有都在一个 15mm x 15mm x 4.92mm BGA 封装内。