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电源设计 - LDO 电源抑制比(PSRR)与测量方法

低压差线性稳压器(LDO)相比 DC-DC 的优点之一,是输出电压纹波小。但是高速电路下,LDO 的电源抑制比(PSRR)也是不可忽略的因素,通常被误认为是单一的静态值,本篇文章将详细讲解电源抑制比(PSRR)及如何测量它。

电源抑制比(PSRR)的定义

电源抑制比(Power Supply Rejection Ratio, PSRR)也称纹波抑制比,通常在 LDO 的数据手册中能找到,它代表 LDO 在某个频率下从输入到输出的衰减程度,代表不同频率下纹波抑制能力。在有些高速通信电路如 Wi-Fi、蓝牙等,就需要用上电源抑制比较大的高速 LDO,当芯片需要瞬间拉大电流时能快速响应,不至于掉到低于额定电压导致负载重启。还有一些场景是使用 DC-DC 作为一级降压、LDO 作为二级降压 / 滤波,因为 DC-DC 开关频率在 kHz-MHz 级别,即 LDO 在 100kHz 以上,就需要严格考虑 PSRR 了。

电源抑制比(PSRR)用公式表示为:

PSRR(dB)=20logVrp(in)Vrp(out)PSRR(dB)=20\log\frac{V_{rp(in)}}{V_{rp(out)}}

其中,Vrp(in)V_{rp(in)} 表示输入纹波,Vrp(out)V_{rp(out)} 表示输出纹波。高速 LDO 的 PSRR 一般大于 60dB,而普通 LDO 的 PSRR 一般在 20dB 左右。60dB 的 PSRR 代表表当输入纹波为 1V 时,输出纹波将为 1mV。

我们先看普通 LDO(XC6206 系列)的纹波抑制曲线:

可以看出,在频率为 1kHz 时,XC6206P302 的纹波抑制比约为 23dB。

再看高速 LDO(XC6217x302)的纹波抑制曲线:

在频率为 1kHz 时,XC6217x302 的纹波抑制比约为 68dB。

电源抑制比(PSRR)的测量方法

电源抑制比(PSRR)的测量分 输入注入输出测量 两个部分。通过以下方法测试,并记录输入与输出的电压纹波,根据公式即可算出 PSRR 的值。

输入注入

信号发生器

使用信号发生器直接产生正弦波,接在 LDO 的输入端。此方法受限于信号发生器的输出电流(像 DG4062 输出电流峰值在 100kHz 正弦波下是 1.65A)。

运算放大器

放大器的作用是将 AC 纹波叠加到直流电源的 DC 电压上。

运放的选择需要满足几个基本条件:

  1. 运放带宽满足 LDO 测试范围。
  2. 运放最大输出电流不小于 LDO 最大输出电流。
  3. 运放输出电压范围覆盖 LDO 输入电压范围。

可按照以下的示意图设计加法器:

其中,R1 与 R2 相等,最低截止频率由 C1 和 R1 共同决定,最高截止频率由运放的带宽所决定。

信号发生器 + 运算放大器

使用运放作为信号发生器的电压跟随器,可解除信号发生器驱动电流不足的限制。

LC 节点法

利用电感和电容实现 DC 电压和 AC 电压的叠加,一起作为 LDO 的输入:

其中,电容 C1 用于防止 VAC 对 VDC 产生高脉冲影响,电感 L1 防止 VDC 使 VAC 发生短路,使用 LC 隔离两个电源

这个电路的最高频率由电感 L1 和电容 C1 共同决定,最低频率由 C1 决定。

音频分析仪(Audio Precision)

音频分析仪自身没有能力产生 DC 直流电压,且驱动能力弱,所以需要通过一个高带宽大电流的运放,把它产生的 AC 纹波叠加到直流电源的 DC 电压上,然后再连接到 LDO 的输入端。但因为音频分析仪带宽的限制,不能测到频率 100kHz 以上的 PSRR。

专用注入器

此方法需要用到专用的输入注入器(例如 J2120A,带宽 10Hz-10MHz,直流电压最大值为 50V,输出电流最高 5A),它可以把 AC 纹波和直流电源 DC 电压直接叠加,但经过注入器后的输入电压会有所衰减。配合网分仪分别测量输入与输出电压纹波值:

输出测量

示波器

一般的示波器可以测量到毫伏级电压,当 LDO 的 PSRR 不高于 40-50dB 时,如果输入交流电压峰峰值为 1V,那么 LDO 输出中的同频率交流电压峰峰值为 3mV~10mV,可以用示波器直接测量。

示波器不适用于测量高 PSRR 的 LDO,如果输出纹波太小,示波器无法精确测量。

运放 + 示波器

当 LDO 的 PSRR 大于 50dB 时,由于输出纹波幅值通常小于 1mV,无法利用示波器直接测量。这时可以考虑使用运算放大器将 LDO 输出交流电压放大 100 倍甚至更高,在设计运放电路时需要考虑:

  • LDO 输出有直流电压,电路需要将直流电压去掉。
  • 放大电路自身产生的噪声要远小于放大后交流电压。
  • 运放输入失调电压不能太大,否则经放大电路放大后会输出很大的直流电压。
  • 放大电路的带宽需要满足 LDO 的 PSRR 测量频率范围。

放大电路的设计:

该电路的最低截止频率由 C1 和 R1 所决定,最高截止频率由运放的带宽所决定。

频谱分析仪 / 网分仪

频谱分析仪可以测量微伏级电压信号,可以配合使用高阻抗输入探头来测量 LDO 输出交流电压。如果没有高阻抗探头,可以用运放搭建:

测量注意事项

  1. 测试时应首先使用示波器观察 LDO 输入端交流电压波形是否正常。
  2. LDO 电路最好按数据手册,加相应的电容去耦,但使用运放方法测试时,需要去掉 LDO 的输入电容,避免运放不稳定。
  3. 如果使用注入器,输出电压有衰减,则电压需要适当增加。
  4. LDO 的输出负载不要用电子负载提供,建议用功率电阻。
  5. 输出使用接地弹簧探头以降低噪声,如下图。

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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