【導讀】在複雜的電子係統設計中
，電源管理單元的效能與可靠性直接決定了整體性能的邊界。其中
，實現從輸入電壓到輸出電壓的精準
、高效與穩定控製

，是工程師麵臨的核心挑戰之一。本文將聚焦於一種先進的解決方案——電壓輸入至輸出控製（VIOC）係統。該係統巧妙融合了具備VIOC特性的低壓差線性穩壓器（LDO）與開關穩壓器，不僅能夠顯著優化功耗
、抑製噪聲，還能在動態與故障條件下為係統提供堅實保護。本係列文章的第一部分
，將為您快速解析VIOC係統的架構優勢，並提供具體的器件選型與設計實施指南，為構建更穩健、高效的電源鏈路奠定基礎。

摘要

在複雜的電子係統設計中，電源管理單元的效能與可靠性直接決定了整體性能的邊界。其中
，實現從輸入電壓到輸出電壓的精準、高效與穩定控製
，是工程師麵臨的核心挑戰之一。本文將聚焦於一種先進的解決方案——電壓輸入至輸出控製（VIOC）係統。該係統巧妙融合了具備VIOC特性的低壓差線性穩壓器（LDO）與開關穩壓器，不僅能夠顯著優化功耗、抑製噪聲，還能在動態與故障條件下為係統提供堅實保護。本係列文章的第一部分，將為您快速解析VIOC係統的架構優勢
，並提供具體的器件選型與設計實施指南
，為構建更穩健、高效的電源鏈路奠定基礎。

引言

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係統和醫療設備等噪聲敏感型應用中
，LDO可提供純淨的電源，有效降低幹擾
，增強信號完整性。LDO與電壓輸入至輸出控製(VIOC)gongnengjijianrongdekaiguanwenyaqipeiheshiyongshi，kexingchengyigeshizhongweichizuijiashurushuchudianyachadexitong。zhezhongshejibujinnengxianzhujiangdizaosheng，shixiangaodianyuandianyayizhibi(PSRR)
，還能確保係統高效運行、受到保護且具備強大性能。本文深入探討了實現VIOC的複雜細節，並闡述了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都屬於電源管理產品類別。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幹擾，確保係統中的電源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製為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1suoshi。xianxingwenyaqibenzhishangshijingtiguandianlu，nenggouyixiangduijiaodidezaoshenggongdian
，danduishurushuchudianyachahenmingan
，xiaolvyeyoucijueding。kaiguanwenyaqitongguogonglvjingtiguan（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係統為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於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係列及LT3073、LT3074和LT3078係列均有最新版本的VIOC特性。LT3045-1和LT3041線性穩壓器的輸出電流範圍為500 mA至1 A，輸入電壓範圍約為2 V至20 V，隻需要一個輸入電源。LT3073、LT3074和LT3078的輸出電流範圍為3 A至5 A
，輸入電壓範圍為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係統中，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係統硬件的工作。

• 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
，並提供了所有LDO的說明。這些搭配基於前麵列出的考慮因素
，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。這些信息有助於設計人員選擇不僅滿足電氣要求
，而且符合限製條件（例如開關穩壓器的輸入電壓範圍、負載電流能力和工作電流）的穩壓器。除了推薦用於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係統，從而不僅顯著降低噪聲
，實現高PSRR，還能提升性能。

表1.推薦用於VIOC係統的LDO和開關穩壓器

表2.表1推薦的開關穩壓器的說明

有些用戶隻是想改變LDO的輸出電壓，但不希望采用複雜的方案來調節給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係統會在LDO輸出發生變化時
，維持LDO的輸入輸出電壓差一致，使旨在有效抑製噪聲的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的係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。效率方麵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。對於圖1中的VIOC係統，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的係統中，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，並且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來強製開關穩壓器的輸出電壓降低並維持設定的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後正常恢複，因為許多高壓LDO具有一種稱為限流折返的保護特性。

xianliuzhefanshidianyuanhewenyaqizhongshiyongdeyizhongbaohujishu，yongyuzaifashengguoliuhuoduanluqingkuangshijiangdishuchudianliu。yuzaiguzhangqijianweichihengdingdianliudejiandanxianliubutong，zhefanxianliuhuitongshijiangdishuchudianyahedianliu，congerjiangdidianluyuanjiandegonghao。zheyouzhuyubaohudianyuanhexianglianqijianmianyuyinguoreheguodadianliuershousun。1

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於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“過載恢複”的章節，其中解釋了當LDO輸出上的短路故障消除後
，為什麼限流折返可以阻止輸出電壓設定值和負載相對較高的LDO恢複到正確的輸出電壓。

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de輸shu出chu電dian壓ya最zui初chu為wei零ling伏fu
，然ran後hou逐zhu漸jian上shang升sheng至zhi正zheng常chang運yun行xing期qi間jian的de期qi望wang輸shu出chu穩wen定ding電dian壓ya。如ru果guo輸shu入ru電dian壓ya在zai開kai啟qi時shi相xiang對dui較jiao高gao，限xian流liu折zhe返fan可ke能neng會hui過guo度du限xian製zhiLDO電流，並阻止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。

結語

本係列的第一部分為理解如何使用支持VIOC的LDO與降壓穩壓器的組合（現代應用中最普遍的配置）來設計高效、低噪聲電源係統奠定了基礎。本文還探討了推薦的LDO與開關穩壓器搭配方案及其背後的依據，說明了深思熟慮的器件選擇能夠顯著提升係統性能。本文展示了如何利用VIOC特性降低輸出噪聲、提高熱效率，並增強啟動和過載恢複期間的係統保護和性能。

本係列的第二部分將探討這些器件如何保持恒定的輸入輸出電壓差，並介紹可簡化VIOC係統實現的實用工具。

參考文獻

1 T.K.Hareendran
，“Foldback Current Limiting - Little Secrets”，Codrey，2021年11月。

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