【導讀】在電源管理領域，低壓差（LDO）穩壓器是保障電子元器件高性能供電的關鍵，其低噪聲特性對精密模擬電路、RF系統及醫療設備等噪聲敏感場景至關重要，可提供純凈電源、降低干擾、強化信號完整性。LDO與電壓輸入至輸出控制（VIOC）功能及兼容開關穩壓器配合，能構建維持最佳輸入輸出電壓差的系統，顯著降噪、實現高PSRR，同時保障系統高效、穩定且性能強勁。本文深入探討VIOC的實現細節、優勢與應用，從基礎關聯、電路構建、器件選型，到性能對比與故障防護，拆解三者協同機制，為工程師優化電源管理方案提供專業參考。
在電源管理領域，低壓差(LDO)穩壓器對確保電子元器件獲得高性能電源起著關鍵作用。LDO的低噪聲性能至關重要，尤其是在精密模擬電路、RF系統和醫療設備等噪聲敏感型應用中，LDO可提供純凈的電源，有效降低干擾，增強信號完整性。LDO與電壓輸入至輸出控制(VIOC)功能及兼容的開關穩壓器配合使用時，可形成一個始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統。這種設計不僅能顯著降低噪聲，實現高電源電壓抑制比(PSRR)，還能確保系統高效運行、受到保護且具備強大性能。本文深入探討了實現VIOC的復雜細節，并闡述了VIOC的優勢和實際應用。通過了解VIOC的協同作用，工程師可以優化各種電子設備的電源管理解決方案。
無論是否帶有VIOC，LDO都屬于電源管理產品類別。電源管理涉及使用穩壓器或轉換器等集成電路(IC)來為放大器、數據轉換器或處理器等電子負載供電。LDO是電源管理IC的一個子類，旨在為電子負載直接供電，主要作用包括：提升負載性能，有效降低負載之間不必要的相互干擾，確保系統中的電源IC和負載按正確時序上電和關斷。
帶VIOC的LDO通過內部電路提供一個外部信號來控制為LDO供電的開關穩壓器的輸出，從而使LDO的輸入輸出電壓差保持恒定，如圖1所示。線性穩壓器本質上是晶體管電路，能夠以相對較低的噪聲供電，但對輸入輸出電壓差很敏感，效率也由此決定。開關穩壓器通過功率晶體管（開關）的快速切換來傳輸能量。開關穩壓器使用功率開關及電感和二極管，高效地將輸入電壓轉換為更適合為LDO供電的電壓。
圖1.此VIOC系統為LDO維持一致的輸入輸出電壓差
使用VIOC將降壓轉換器與LDO相結合以增強性能
典型的VIOC電路采用降壓開關穩壓器來為具有VIOC特性的LDO供電。由此得到的電路是一種非常強大的配置，兼具降壓穩壓器的高效率特性和LDO的低噪聲性能。降壓穩壓器又稱為降壓轉換器，是一種開關轉換器，能夠高效地將輸入轉換為低于輸入電壓的穩定輸出。
創建VIOC電路的第一步是選擇LDO和開關穩壓器。ADI公司提供多種集成VIOC功能的LDO。LT3045-1和LT3041系列及LT3073、LT3074和LT3078系列均有最新版本的VIOC特性。LT3045-1和LT3041線性穩壓器的輸出電流范圍為500 mA至1 A，輸入電壓范圍約為2 V至20 V，只需要一個輸入電源。LT3073、LT3074和LT3078的輸出電流范圍為3 A至5 A，輸入電壓范圍為0.6 V至5.5 V，需要一個額外的低電流BIAS輸入電源。任何帶有反饋(FB)引腳的開關穩壓器都可以與這些使用VIOC的LDO組合使用，但在選擇設計所用開關穩壓器之前，請注意以下事項：
支持VIOC的LDO可與任何類型的開關穩壓器拓撲配合使用，但最常與降壓穩壓器配合使用。
LT3045-1和LT3041 LDO必須與FB電壓為1 V或更低的開關穩壓器搭配，使得LDO VIOC引腳可以在1 V電壓下工作（有關詳細信息，請參閱數據手冊）。
在VIOC系統中，具有補償引腳的開關穩壓器與沒有補償引腳的開關穩壓器相比，可能更容易穩定。
開關穩壓器和LDO評估板可以方便地評估VIOC系統硬件的工作。
具有VIOC功能的LDO不能與Silent Switcher? 3 (SS3)開關穩壓器搭配使用，因為SS3穩壓器沒有常規FB引腳。
與典型VIOC電路相比，帶有集成高側反饋電阻的μModule?穩壓器無法使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差。
使用VIOC的電路需要專用電壓軌作為LDO前級，而不是支持多個電壓軌的前級。
與獨立LDO設計相比，VIOC需要更多元件。VIOC電路所需的額外元件包括：為LDO供電的開關穩壓器的反饋分壓器中的額外電阻器，以及開關穩壓器輸出通常使用的額外電容。
為了簡化設計過程，ADI提供了指導，說明哪些降壓開關穩壓器最適合搭配帶有VIOC特性的特定LDO使用。表1列出了與具有VIOC的推薦LDO組合使用的合適開關穩壓器，并提供了所有LDO的說明。這些搭配基于前面列出的考慮因素，因此在構建由降壓穩壓器和具有VIOC特性的LDO組成的VIOC電路時，請遵循上文和表1中給出的指導。表1所列LDO的數據手冊中提供了許多VIOC電路參考設計。
表2提供了表1所列降壓穩壓器的詳細說明。這些信息有助于設計人員選擇不僅滿足電氣要求，而且符合限制條件（例如開關穩壓器的輸入電壓范圍、負載電流能力和工作電流）的穩壓器。除了推薦用于VIOC的開關穩壓器外，表2還列出了開關穩壓器的反饋引腳電壓、可用模式、評估板產品型號和補償引腳的可用性。
VIOC的噪聲最小化和高PSRR優勢
如上所述，當LDO與VIOC功能及兼容的開關穩壓器配合使用時，可形成一個始終維持最佳輸入輸出電壓差的系統，從而不僅顯著降低噪聲，實現高PSRR，還能提升性能。
表1.推薦用于VIOC系統的LDO和開關穩壓器
表2.表1推薦的開關穩壓器的說明
有些用戶只是想改變LDO的輸出電壓，但不希望采用復雜的方案來調節給LDO電源供電的開關穩壓器的輸出電壓。與圖1中的電路相反，圖3所示的電路沒有VIOC，因此當調高或調低LDO輸出時，開關穩壓器的輸出保持不變。圖2顯示，圖3電路的PSRR性能在LDO輸出電壓較高情況下會下降，原因是在LDO輸出電壓增加而LDO輸入不增加的情況下，開關穩壓器的輸出電壓紋波在LDO輸出端引起的噪聲會增加。
圖2.這些示波器截圖針對的是圖3中的電路，表明隨著LDO輸出電壓提高，PSRR引起的噪聲會加劇
現在考慮一下VIOC相比圖2和圖3所示例子的優勢。圖1電路所示的VIOC系統會在LDO輸出發生變化時，維持LDO的輸入輸出電壓差一致，使旨在有效抑制噪聲的PSRR保持高水平。開關穩壓器的輸出電壓會在LDO輸出降低時自行調低，在LDO輸出提高時自行調高。因此，當LDO的輸出電壓變化到三個不同電平時，開關穩壓器的輸出電壓紋波在LDO輸出端引起的噪聲依然保持較低水平，如圖4所示。
圖3.此電路不使用VIOC
VIOC的優勢：提升效率、加強保護和優化運行
除了噪聲最小化、高PSRR優勢之外，具有VIOC的系統還能始終保持最佳的輸入輸出電壓差，使其工作高效、安全且性能強大。效率方面的優勢是顯而易見的，因為當LDO輸出電壓降低而LDO輸入電壓保持不變時（如圖3電路所示），LDO的功耗會增加，效率會降低。對于圖1中的VIOC系統，即使LDO輸出發生變化，VIOC也能使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差，因此功耗保持不變。
圖4.這些示波器截圖針對的是圖1中的電路，表明PSRR引起的噪聲始終很低，原因是該電路使LDO保持恒定的輸入輸出電壓差
此外，在不使用VIOC的系統中，某些情況和故障可能會導致LDO輸入輸出電壓差增大到不可接受的水平。例如，如果開關穩壓器輸出和LDO輸出都被設定為相對較高的電壓，并且LDO上存在輸出短路故障，則LDO輸入輸出電壓差可能會急劇增大。LDO上的輸出短路故障會導致LDO兩端的輸入輸出電壓差過高，因為沒有VIOC來強制開關穩壓器的輸出電壓降低并維持設定的LDO輸入輸出電壓差。當LDO輸出短路時，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差會大大增加LDO的功耗，使得LDO溫度可能超過建議工作溫度，從而造成可靠性降低。
當LDO輸出短路時，故障期間LDO的高輸入輸出電壓差還會阻止LDO在短路輸出故障消除后正常恢復，因為許多高壓LDO具有一種稱為限流折返的保護特性。
限流折返是電源和穩壓器中使用的一種保護技術，用于在發生過流或短路情況時降低輸出電流。與在故障期間維持恒定電流的簡單限流不同，折返限流會同時降低輸出電壓和電流，從而降低電路元件的功耗。這有助于保護電源和相連器件免于因過熱和過大電流而受損。
圖5顯示了LT3041 LDO的典型限流折返。注意在圖5中，當輸入輸出電壓差大于11 V時，LDO能夠輸出更小的電流。ADI的許多LDO數據手冊都包含一個名為“過載恢復”的章節，其中解釋了當LDO輸出上的短路故障消除后，為什么限流折返可以阻止輸出電壓設定值和負載相對較高的LDO恢復到正確的輸出電壓。
圖5.LT3041 LDO的典型限流折返
無VIOC的電路中的限流折返也會阻止高電壓電路正常啟動，因為當電路開啟時，LDO的輸出電壓最初為零伏，然后逐漸上升至正常運行期間的期望輸出穩定電壓。如果輸入電壓在開啟時相對較高，限流折返可能會過度限制LDO電流，并阻止LDO輸出電壓上升至期望的穩定電壓。VIOC自動維持正確的開關穩壓器輸出電壓，從而維持正確的LDO輸入輸出電壓差，確保電路在故障和啟動情況下都能正常工作。
總結
VIOC功能為LDO性能升級提供關鍵路徑，實現了開關穩壓器高效率與LDO低噪聲的融合，破解了傳統無VIOC電路的噪聲、效率及故障恢復痛點。通過自動調節前級開關穩壓器輸出，VIOC可維持LDO最佳壓差，保障高PSRR與低噪聲供電，降低功耗并規避限流折返帶來的啟動及恢復難題，提升系統可靠性。文中器件選型、設計要點及ADI配套方案，為工程實踐提供明確指引。隨著噪聲敏感領域對電源性能要求提升，VIOC技術將成為電源管理優化核心，助力高性能電子設備研發，推動領域向高效、穩定、精準方向發展。
