ADI超低噪声μModule稳压器LTM4707噪声测量解析
传统降压型开关稳压器在低频（100kHz以下）存在多个噪声源，其中包括反馈系统使用的电压基准、误差放大器、用于设定输出电压的电阻分压器，以及该分压器产生的噪声增益。许多应用会在开关稳压器输出段后置LDO稳压器以改善噪声性能，但此类方案尺寸较大、整体电源效率下降，且LDO输出电流能力受限。
ADI（Analog Devices）提供同时采用Silent Switcher 3与μModule技术的开关稳压器（下称μModule稳压器）。该器件采用以电流基准生成反馈电压的架构：与使用上、下反馈电阻的传统开关稳压器不同，输出电压设定仅使用一个电阻，该电阻与μModule稳压器内置的高精度电流源组合决定输出电压。该架构可在输出电压全范围内实现单位增益并抑制噪声。超低噪声μModule稳压器还采用用于抵消电磁干扰（EMI）的技术、专有设计及封装技术。例如，LTM4707实现了优异的输出噪声性能，尤其能提升低频（10Hz～100kHz）噪声性能。
本文首先介绍噪声测量相关术语，随后详述极小噪声的测量方法，并给出基于Silent Switcher 3的μModule稳压器LTM4707与其他模块的噪声测量结果。
噪声测量环境与方法
噪声测量环境采用电池或低噪声线性电源，为被测量器件（DUT）LTM4707提供洁净电源；低噪声放大器（LNA）同样由电池供电。LNA针对特定频率范围将DUT输出信号放大到所需电平。为进一步降低测量环境引起的噪声和干扰，更适合使用由功率电阻构成的负载电阻组，而非电子负载。LNA输出接入频谱分析仪，用于测量噪声谱密度。对两个LTM4707进行两相工作时的输出噪声谱密度也进行了测量。
噪声指标与数据处理
噪声谱密度（单位V/√Hz）用于表示开关稳压器在给定频率范围内的宽带噪声，其测量值反映所选分辨率带宽内的噪声幅度。RMS（均方根）噪声是对给定频率范围内噪声谱密度进行积分所得的值，通常以10Hz～100kHz范围内的μVrms表示，可快速与其他LDO稳压器或开关稳压器比较。点噪声（spot noise）是特定频率处的噪声谱密度幅度（单位V/√Hz），例如LTM4707在1kHz处的点噪声为4nV/√Hz，也是与其他LDO稳压器或开关稳压器比较的便捷指标。
若频谱分析仪给出dBm单位的测量值，并假设频谱分析仪以50Ω终端，则可换算为V/√Hz单位的噪声谱密度。其中，dBm是以1mW为基准测得的dB值，RBW（分辨率带宽）为频谱分析仪的分辨率带宽。按此换算得到的是LNA输出端噪声测量值；要得到DUT处噪声，需根据目标频率范围内LNA增益进行校正。例如，100kHz处LNA增益为1000倍（60dB），则将该频率处测量值除以1000，其他各频率测量值同样处理。LNA增益可通过波形发生器与示波器测量LNA输入、输出信号算出；更高精度可使用Bode 100等网络分析仪，利用其生成的参考信号测量目标频率范围内的LNA增益。
为高精度测量DUT自身噪声，需考虑测量环境引起的噪声。方法是将LNA输入端子以50Ω等低阻抗电阻端接后测量噪声，从而分离LNA和频谱分析仪引起的噪声；再从上述测量环境测得的总噪声中扣除环境噪声，即可得到DUT噪声。若已测得V/√Hz单位的噪声谱密度，可用中点黎曼和等方法求所选频率范围内的积分RMS噪声：对相邻数据点的噪声谱密度分别平方并取平均，乘以相邻数据点间的频率差，逐区段计算后求和，再对总和开平方。该方法中，Nn为噪声谱密度（V/√Hz），fn为频率（Hz）。
两相工作提升电流并降低噪声
要在不降低噪声性能的前提下从开关稳压器输出更大电流，可使用两个低噪声μModule稳压器构成两相工作。例如，两个LTM4707两相工作可输出总计32A电流。LTM4707采用峰值电流模式控制，多个LTM4707进行多相工作时易于实现均流；并联多个LTM4707不仅能提高输出电流能力，还能降低输出噪声。电路连接上，将VOUT、COMP、SET引脚相互连接，并将1相侧的CLKOUT接入2相侧的SYNC引脚；将PHMODE引脚接地，可使各相时钟信号相移180°，实现最佳两相交错。作为参考，还给出了两相工作时的效率与功率损耗（VIN=12V）。
LTpowerAnalyzer简化噪声谱密度测量
ADI提供的电源设计评估套件LTpowerAnalyzer与LNA组合，可简化超低噪声μModule稳压器的噪声谱密度测量。该方案无需昂贵的频谱分析仪和网络分析仪即可测量极小噪声，并可自动生成最终噪声谱密度图、计算RMS噪声测量值，从而缩短评估时间，同时避免传统频谱分析仪评估环境中常见的人工操作错误。测量环境由LNA、LTpowerAnalyzer与主动学习模块ADALM2000组合构成。在该环境中，对采用Silent Switcher 3的LTM4707两相工作与采用Silent Switcher 2的LTM4638两相工作进行了噪声性能比较。
总结
开关稳压器的噪声性能可能显著影响最终应用中噪声敏感负载，甚至可能因噪声性能而难以满足辐射EMI的严格标准。传统降压稳压器通过反馈电路中的电阻分压器获得输出电压，该分压器会产生增益，导致输出电压越高、低频噪声越大。为规避该问题，广泛采用在开关稳压器后置LDO稳压器的方法，但会增加成本与整体电路尺寸，并降低效率。LTM4707采用Silent Switcher架构，具备用于生成反馈电压的电流基准，以及降低EMI的先进设计和封装技术；其可实现10kHz～100kHz范围内8μVrms积分噪声、1kHz处低于4nV/√Hz的点噪声，并在输出5V/16A条件下达到约95%的高效率。
本文改编自ADI技术文章《Minimizing Noise in High-Current Applications Using Tiny μModule Regulators》。
