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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：

\[ PSRR(dB)=20\log\frac{V_{rp(in)}}{V_{rp(out)}} \]

其中，\(V_{rp(in)}\) 表示输入纹波，\(V_{rp(out)}\) 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 和 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

原文地址：https://wiki-power.com/
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