线性稳压器的电压输入至输出控制——第二部分：工作原理和参考设计

摘要

本文是电压输入至输出控制(VIOC)应用于低压差稳压器(LDO)的两部分系列文章中的第二部分。本文以第一部分介绍的基本概念为基础，深入探讨了VIOC系统设计，并阐述了最新一代LDO如何保持恒定的输入输出电压差，从而实现关键性能优势，例如更高的电源电压抑制比(PSRR)、优化的功耗和稳健的故障保护。本文强调通过参考设计和便捷的评估方法实现VIOC的简便性，包括LTspice®仿真和演示硬件。文章还探讨了如何在负电压拓扑中集成VIOC，并回顾了早期的VIOC实现方案，包括采用分立元件和传统LDO架构的实现方案。VIOC通过简化开关稳压器与LDO之间的协作，提升了电路性能，并为现代电源管理系统提供了灵活多样的解决方案。

引言

在本系列的第一部分中，对最新一代低压差稳压器(LDO)中的电压输入至输出控制(VIOC)特性进行了初步介绍，而第二部分将更深入地探讨其功能。为使VIOC系统设计更易被工程师掌握，本文还提供了现成的参考设计和简单明了的评估方法。此外，本文探讨了如何在负电压拓扑中无缝实现VIOC，从而拓展适用范围。同时，文章也追溯了VIOC早期实现方案的演进历程，以提供必要的历史背景。

VIOC详解

最新一代LDO中的VIOC特性是通过LDO内部增益为1的差分放大器实现的，如图1所示。由差分放大器的示意图可见，它由运算放大器和分立电阻构成。在最基本的配置中，差分放大器的输出直接连接到为LDO供电的开关稳压器的FB引脚。VIOC和FB引脚之间的连接形成一个闭环的反馈回路，在该回路中，开关稳压器输出一个比LDO输出更高的电压，高出幅度等于差分放大器的输出电压，而差分放大器输出电压连接到开关稳压器FB引脚。FB引脚是开关稳压器IC误差放大器反相输入端的外部连接点。

图1.最新一代LDO中的VIOC特性通过LDO内部增益为1的差分放大器实现

误差放大器是一种电子元件，通常采用运算放大器实现，其作用是放大两个输入信号（通常是基准电压和来自系统输出的反馈信号）之间的差值。此差值（即误差信号）用于调整系统以维持期望的输出。因此，误差放大器是稳压器、电源、伺服机构等反馈控制系统的关键组成部分。1

实现VIOC的差分放大器还负责处理一些管理任务，例如防止LDO输入过低和关断LDO。有关VIOC行为的完整详情，请参阅LDO数据手册中的VIOC部分。

开关稳压器FB引脚电压在大约0.4 V到1.2 V之间，具体取决于开关稳压器IC。如果开关稳压器反馈引脚的电压低于所需的LDO输入输出电压差，可在开关稳压器的FB引脚和LDO的VIOC引脚之间添加一个电阻。此电阻用于将差分放大器输出端的VIOC信号连接到更高电压点，如图1所示。图1所示LT3041 LDO和类似LDO的VIOC，很难实现比开关稳压器FB引脚电压更低的LDO输入输出电压差。

为了理解差分放大器如何实现VIOC，可将差分放大器的输出视为其输入之一。如果差分放大器的输出电压为某个特定值，则其正输入端的电压必须高于其负输入端的电压，且高出幅度必须等于该差分放大器输出电压。差分放大器的负输入端连接到LDO的输出端，因此差分放大器可调节开关稳压器的输出电压，使其比LDO的输出电压高，高出的量值与差分放大器输出电压（由开关稳压器的FB引脚电压决定）相同。

图2.LT3073 LDO具有VIOC电路设计，可使LDO的输入输出电压差低于开关稳压器反馈引脚电压，并限制LT8610A开关稳压器的输出电压

图3.如果LDO未使能，则LT3041 VIOC电路会限制LT8608开关稳压器的输出电压

图4.采用Ćuk配置的开关稳压器，用于产生负电压（使用LT8364）

图2显示了具有VIOC电路设计的LT3073 LDO，该设计使得LDO的输入输出电压差可以低于开关稳压器的反馈引脚电压。此VIOC方法提供一个偏置电压，使LDO输入输出电压差比VIOC引脚电压低800 mV。这种类型的VIOC在输入输出电压差较低、电流额定值较高的LDO中很常见。图2电路还能限制开关稳压器的输出电压。开关稳压器的反馈电阻分压器用于防止在LDO未使能或无法闭合VIOC反馈环路的情况下，开关稳压器的输出电压变得过高。如图3所示，图1中的LT3041 VIOC电路会限制开关稳压器LT8608的输出电压。

到目前为止讨论的LDO都是使用正电压工作的正LDO，但VIOC操作也支持使用负电压工作的负LDO。负LDO的VIOC电路可采用产生负电压的开关稳压器来实现，其反馈引脚命名为FBX，而不是FB。图4显示了一个采用Ćuk配置的开关稳压器，用于产生负电压。负LDO LT3099的VIOC用于控制Ćuk输出电压。

图5所示电路反映了一种越来越常见的场景，其中的降压型稳压器通常产生正电压，但通过配置为反相降压-升压型稳压器，它可用来产生负电压。由于标准降压型稳压器没有用于配合负电压使用的FBX引脚或FB引脚，因此该VIOC电路需要一个电平转换器。在该电路中，电平转换器是电路的一部分，电路中包含LT1636运算放大器和连接到运算放大器正输入端的网络。

VIOC很容易实现，只需在已有的开关稳压器到LDO连接的基础上，增加一根导线即可。VIOC可与任何带有FB引脚的开关稳压器配合使用。请注意，Silent Switcher® 3 (SS3)稳压器IC没有FB引脚，因此VIOC通常不与这些IC一起使用。如果开关稳压器FB引脚连接到内部分压电阻，而该电阻也连接到输出端，则VIOC会有一些局限性。某些µModule®稳压器就属于这种情况。

µModule稳压器是一种高度集成的系统级封装(SiP)解决方案，它在一个紧凑的封装中集成了多个电子元器件，例如DC-DC控制器、功率晶体管、输入输出电容、补偿元件和电感。2

图5.如果开关稳压器采用的是反相降压-升压配置（使用ADP2386），则负LDO的VIOC电路需要电平转换器

图6.此VIOC电路将LTM4616 µModule稳压器的一个通道与LT3078 LDO配合使用

图6所示VIOC电路将LTM4616 µModule稳压器的一个通道与LT3078 LDO配合使用。µModule的FB引脚与开关稳压器的输出端之间有一个内部10 kΩ电阻。VIOC引脚电流（及相应的VIOC引脚电压）与10 kΩ电阻的电流相关；当LDO和开关稳压器的输出电压提高或降低时，电阻电流会按比例变化。VIOC引脚电压对LDO输出电压的这种依赖关系，会限制图6所示电路的LDO输出电压调节范围。

评估VIOC系统工作情况的便捷方法

LTspice®可用于快速仿真和评估受限环境下的VIOC工作情况，从而无需物理硬件便能测试不同的场景和参数。因此，它是在实现电路之前验证电路行为和优化设计的有效工具。

使用硬件评估VIOC功能的最有效方法，是将开关稳压器演示电路连接到LDO演示电路，并进行极少量的改动。图7显示了两个配置用于快速测试VIOC的此类电路。对于VIOC电路的最终设计，通常需要在实际硬件上进行负载瞬态测试，以检查电路稳定性。为了提高稳定性，通常会在开关稳压器输出端增加电容。如需相关指导，请参阅数据手册中的VIOC参考设计。

图7.两个演示电路，只需极少量改动即可快速测试VIOC工作情况（使用DC3158A和DC2458A）

图8.VIOC的一个早期版本（采用LTC3415）

早期版本VIOC和非内置VIOC

到目前为止，大部分讨论都集中在采用最新一代VIOC的LDO上。除此之外，还有一种采用分立元件实现VIOC的方法，使用早期一代带有VIOC特性的LDO。图8显示了一个采用早期版本VIOC的LDO电路。LDO的VIOC引脚连接到开关稳压器的ITH或VC引脚，LDO的VIOC电路自动将LDO的输入输出电压差控制在300 mV左右。ITH或VC引脚是开关稳压器IC误差放大器输出端的外部连接点。早期5V、5A LDO，例如LT3070-1、LT3071和LT3072，就是采用这种VIOC方法。

我们要讨论的最后一类VIOC是利用分立元件实现的VIOC。借助分立元件，几乎任何LDO都可以添加VIOC功能。这种方法在早期的电流源基准LDO（从LT3080开始）中特别流行，因为通过外部电压信号或数字电位器改变带电流源基准的LDO输出电压相对容易。电流源基准LDO是一种不使用基准电压源，而使用电流源驱动电阻来确定输出电压的稳压器。图9显示了一个使用分立器件实现VIOC的电路。IRF7342 PMOS的源栅电压决定LDO的输入输出电压差。有关采用此类VIOC的更多参考设计，请参阅LT308x数据手册。

图9.使用分立器件LT8646S和LT3083实现VIOC的电路

结语

利用VIOC技术来集成LDO和开关稳压器，为现代电源管理设计带来了很大的优势。VIOC能够保持稳定的输入输出电压差，从而提升PSRR以降低输出噪声，改善功耗，增强故障保护和启动可靠性。它还能确保负载瞬态响应稳定，这对于高性能系统至关重要。

VIOC简化了开关稳压器与LDO之间的电压协调，优化了设计流程，提升了整体电路效率。最新一代支持VIOC的LDO为当今复杂的电子应用提供了灵活、高性能的解决方案。

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参考文献

1 Error Amplifier (Electronics)（误差放大器），维基百科。

2 μModule稳压器，ADI公司。