摘要

本文是電壓輸入至輸出控制(VIOC)應(yīng)用于低壓差穩(wěn)壓器(LDO)的兩部分系列文章中的第二部分。本文以第一部分介紹的基本概念為基礎(chǔ)，深入探討了VIOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并闡述了最新一代LDO如何保持恒定的輸入輸出電壓差，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性能優(yōu)勢(shì)，例如更高的電源電壓抑制比(PSRR)、優(yōu)化的功耗和穩(wěn)健的故障保護(hù)。本文強(qiáng)調(diào)通過參考設(shè)計(jì)和便捷的評(píng)估方法實(shí)現(xiàn)VIOC的簡(jiǎn)便性，包括LTspice®仿真和演示硬件。文章還探討了如何在負(fù)電壓拓?fù)渲屑蒝IOC，并回顧了早期的VIOC實(shí)現(xiàn)方案，包括采用分立元件和傳統(tǒng)LDO架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方案。VIOC通過簡(jiǎn)化開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO之間的協(xié)作，提升了電路性能，并為現(xiàn)代電源管理系統(tǒng)提供了靈活多樣的解決方案。

引言

在本系列的第一部分中，對(duì)最新一代低壓差穩(wěn)壓器(LDO)中的電壓輸入至輸出控制(VIOC)特性進(jìn)行了初步介紹，而第二部分將更深入地探討其功能。為使VIOC系統(tǒng)設(shè)計(jì)更易被工程師掌握，本文還提供了現(xiàn)成的參考設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單明了的評(píng)估方法。此外，本文探討了如何在負(fù)電壓拓?fù)渲袩o縫實(shí)現(xiàn)VIOC，從而拓展適用范圍。同時(shí)，文章也追溯了VIOC早期實(shí)現(xiàn)方案的演進(jìn)歷程，以提供必要的歷史背景。

VIOC詳解

最新一代LDO中的VIOC特性是通過LDO內(nèi)部增益為1的差分放大器實(shí)現(xiàn)的，如圖1所示。由差分放大器的示意圖可見，它由運(yùn)算放大器和分立電阻構(gòu)成。在最基本的配置中，差分放大器的輸出直接連接到為L(zhǎng)DO供電的開關(guān)穩(wěn)壓器的FB引腳。VIOC和FB引腳之間的連接形成一個(gè)閉環(huán)的反饋回路，在該回路中，開關(guān)穩(wěn)壓器輸出一個(gè)比LDO輸出更高的電壓，高出幅度等于差分放大器的輸出電壓，而差分放大器輸出電壓連接到開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳。FB引腳是開關(guān)穩(wěn)壓器IC誤差放大器反相輸入端的外部連接點(diǎn)。

圖1.最新一代LDO中的VIOC特性通過LDO內(nèi)部增益為1的差分放大器實(shí)現(xiàn)

誤差放大器是一種電子元件，通常采用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，其作用是放大兩個(gè)輸入信號(hào)（通常是基準(zhǔn)電壓和來自系統(tǒng)輸出的反饋信號(hào)）之間的差值。此差值（即誤差信號(hào)）用于調(diào)整系統(tǒng)以維持期望的輸出。因此，誤差放大器是穩(wěn)壓器、電源、伺服機(jī)構(gòu)等反饋控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。1

實(shí)現(xiàn)VIOC的差分放大器還負(fù)責(zé)處理一些管理任務(wù)，例如防止LDO輸入過低和關(guān)斷LDO。有關(guān)VIOC行為的完整詳情，請(qǐng)參閱LDO數(shù)據(jù)手冊(cè)中的VIOC部分。

開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳電壓在大約0.4 V到1.2 V之間，具體取決于開關(guān)穩(wěn)壓器IC。如果開關(guān)穩(wěn)壓器反饋引腳的電壓低于所需的LDO輸入輸出電壓差，可在開關(guān)穩(wěn)壓器的FB引腳和LDO的VIOC引腳之間添加一個(gè)電阻。此電阻用于將差分放大器輸出端的VIOC信號(hào)連接到更高電壓點(diǎn)，如圖1所示。圖1所示LT3041 LDO和類似LDO的VIOC，很難實(shí)現(xiàn)比開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳電壓更低的LDO輸入輸出電壓差。

為了理解差分放大器如何實(shí)現(xiàn)VIOC，可將差分放大器的輸出視為其輸入之一。如果差分放大器的輸出電壓為某個(gè)特定值，則其正輸入端的電壓必須高于其負(fù)輸入端的電壓，且高出幅度必須等于該差分放大器輸出電壓。差分放大器的負(fù)輸入端連接到LDO的輸出端，因此差分放大器可調(diào)節(jié)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓，使其比LDO的輸出電壓高，高出的量值與差分放大器輸出電壓（由開關(guān)穩(wěn)壓器的FB引腳電壓決定）相同。

圖2.LT3073 LDO具有VIOC電路設(shè)計(jì)，可使LDO的輸入輸出電壓差低于開關(guān)穩(wěn)壓器反饋引腳電壓，并限制LT8610A開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓

圖3.如果LDO未使能，則LT3041 VIOC電路會(huì)限制LT8608開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓

圖4.采用?uk配置的開關(guān)穩(wěn)壓器，用于產(chǎn)生負(fù)電壓（使用LT8364）

圖2顯示了具有VIOC電路設(shè)計(jì)的LT3073 LDO，該設(shè)計(jì)使得LDO的輸入輸出電壓差可以低于開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋引腳電壓。此VIOC方法提供一個(gè)偏置電壓，使LDO輸入輸出電壓差比VIOC引腳電壓低800 mV。這種類型的VIOC在輸入輸出電壓差較低、電流額定值較高的LDO中很常見。圖2電路還能限制開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器的反饋電阻分壓器用于防止在LDO未使能或無法閉合VIOC反饋環(huán)路的情況下，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓變得過高。如圖3所示，圖1中的LT3041 VIOC電路會(huì)限制開關(guān)穩(wěn)壓器LT8608的輸出電壓。

到目前為止討論的LDO都是使用正電壓工作的正LDO，但VIOC操作也支持使用負(fù)電壓工作的負(fù)LDO。負(fù)LDO的VIOC電路可采用產(chǎn)生負(fù)電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)，其反饋引腳命名為FBX，而不是FB。圖4顯示了一個(gè)采用?uk配置的開關(guān)穩(wěn)壓器，用于產(chǎn)生負(fù)電壓。負(fù)LDO LT3099的VIOC用于控制?uk輸出電壓。

圖5所示電路反映了一種越來越常見的場(chǎng)景，其中的降壓型穩(wěn)壓器通常產(chǎn)生正電壓，但通過配置為反相降壓-升壓型穩(wěn)壓器，它可用來產(chǎn)生負(fù)電壓。由于標(biāo)準(zhǔn)降壓型穩(wěn)壓器沒有用于配合負(fù)電壓使用的FBX引腳或FB引腳，因此該VIOC電路需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器。在該電路中，電平轉(zhuǎn)換器是電路的一部分，電路中包含LT1636運(yùn)算放大器和連接到運(yùn)算放大器正輸入端的網(wǎng)絡(luò)。

VIOC很容易實(shí)現(xiàn)，只需在已有的開關(guān)穩(wěn)壓器到LDO連接的基礎(chǔ)上，增加一根導(dǎo)線即可。VIOC可與任何帶有FB引腳的開關(guān)穩(wěn)壓器配合使用。請(qǐng)注意，Silent Switcher® 3 (SS3)穩(wěn)壓器IC沒有FB引腳，因此VIOC通常不與這些IC一起使用。如果開關(guān)穩(wěn)壓器FB引腳連接到內(nèi)部分壓電阻，而該電阻也連接到輸出端，則VIOC會(huì)有一些局限性。某些μModule®穩(wěn)壓器就屬于這種情況。

μModule穩(wěn)壓器是一種高度集成的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)解決方案，它在一個(gè)緊湊的封裝中集成了多個(gè)電子元器件，例如DC-DC控制器、功率晶體管、輸入輸出電容、補(bǔ)償元件和電感。2

圖5.如果開關(guān)穩(wěn)壓器采用的是反相降壓-升壓配置（使用ADP2386），則負(fù)LDO的VIOC電路需要電平轉(zhuǎn)換器

圖6.此VIOC電路將LTM4616 μModule穩(wěn)壓器的一個(gè)通道與LT3078 LDO配合使用

圖6所示VIOC電路將LTM4616 μModule穩(wěn)壓器的一個(gè)通道與LT3078 LDO配合使用。μModule的FB引腳與開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端之間有一個(gè)內(nèi)部10 kΩ電阻。VIOC引腳電流（及相應(yīng)的VIOC引腳電壓）與10 kΩ電阻的電流相關(guān)；當(dāng)LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓提高或降低時(shí)，電阻電流會(huì)按比例變化。VIOC引腳電壓對(duì)LDO輸出電壓的這種依賴關(guān)系，會(huì)限制圖6所示電路的LDO輸出電壓調(diào)節(jié)范圍。

評(píng)估VIOC系統(tǒng)工作情況的便捷方法

LTspice®可用于快速仿真和評(píng)估受限環(huán)境下的VIOC工作情況，從而無需物理硬件便能測(cè)試不同的場(chǎng)景和參數(shù)。因此，它是在實(shí)現(xiàn)電路之前驗(yàn)證電路行為和優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效工具。

使用硬件評(píng)估VIOC功能的最有效方法，是將開關(guān)穩(wěn)壓器演示電路連接到LDO演示電路，并進(jìn)行極少量的改動(dòng)。圖7顯示了兩個(gè)配置用于快速測(cè)試VIOC的此類電路。對(duì)于VIOC電路的最終設(shè)計(jì)，通常需要在實(shí)際硬件上進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試，以檢查電路穩(wěn)定性。為了提高穩(wěn)定性，通常會(huì)在開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端增加電容。如需相關(guān)指導(dǎo)，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)手冊(cè)中的VIOC參考設(shè)計(jì)。

圖7.兩個(gè)演示電路，只需極少量改動(dòng)即可快速測(cè)試VIOC工作情況（使用DC3158A和DC2458A）

圖8.VIOC的一個(gè)早期版本（采用LTC3415）

早期版本VIOC和非內(nèi)置VIOC

到目前為止，大部分討論都集中在采用最新一代VIOC的LDO上。除此之外，還有一種采用分立元件實(shí)現(xiàn)VIOC的方法，使用早期一代帶有VIOC特性的LDO。圖8顯示了一個(gè)采用早期版本VIOC的LDO電路。LDO的VIOC引腳連接到開關(guān)穩(wěn)壓器的ITH或VC引腳，LDO的VIOC電路自動(dòng)將LDO的輸入輸出電壓差控制在300 mV左右。ITH或VC引腳是開關(guān)穩(wěn)壓器IC誤差放大器輸出端的外部連接點(diǎn)。早期5V、5A LDO，例如LT3070-1、LT3071和LT3072，就是采用這種VIOC方法。

我們要討論的最后一類VIOC是利用分立元件實(shí)現(xiàn)的VIOC。借助分立元件，幾乎任何LDO都可以添加VIOC功能。這種方法在早期的電流源基準(zhǔn)LDO（從LT3080開始）中特別流行，因?yàn)橥ㄟ^外部電壓信號(hào)或數(shù)字電位器改變帶電流源基準(zhǔn)的LDO輸出電壓相對(duì)容易。電流源基準(zhǔn)LDO是一種不使用基準(zhǔn)電壓源，而使用電流源驅(qū)動(dòng)電阻來確定輸出電壓的穩(wěn)壓器。圖9顯示了一個(gè)使用分立器件實(shí)現(xiàn)VIOC的電路。IRF7342 PMOS的源柵電壓決定LDO的輸入輸出電壓差。有關(guān)采用此類VIOC的更多參考設(shè)計(jì)，請(qǐng)參閱LT308x數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖9.使用分立器件LT8646S和LT3083實(shí)現(xiàn)VIOC的電路

結(jié)語

利用VIOC技術(shù)來集成LDO和開關(guān)穩(wěn)壓器，為現(xiàn)代電源管理設(shè)計(jì)帶來了很大的優(yōu)勢(shì)。VIOC能夠保持穩(wěn)定的輸入輸出電壓差，從而提升PSRR以降低輸出噪聲，改善功耗，增強(qiáng)故障保護(hù)和啟動(dòng)可靠性。它還能確保負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)穩(wěn)定，這對(duì)于高性能系統(tǒng)至關(guān)重要。

VIOC簡(jiǎn)化了開關(guān)穩(wěn)壓器與LDO之間的電壓協(xié)調(diào)，優(yōu)化了設(shè)計(jì)流程，提升了整體電路效率。最新一代支持VIOC的LDO為當(dāng)今復(fù)雜的電子應(yīng)用提供了靈活、高性能的解決方案。

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參考文獻(xiàn)

1 Error Amplifier (Electronics)（誤差放大器），維基百科。

2 μModule穩(wěn)壓器，ADI公司。