在當(dāng)今飛速發(fā)展的電子技術(shù)領(lǐng)域，射頻（RF）系統(tǒng)對于電源解決方案的噪聲性能提出了極為嚴(yán)苛的要求。這是因為 RF 系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空航天與防務(wù)、5G 無線應(yīng)用、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域。電源解決方案輸出噪聲的高低，直接關(guān)系到系統(tǒng)能否維持出眾的性能。傳統(tǒng)上，降壓式（buck）穩(wěn)壓器與低壓差（LDO）穩(wěn)壓器組合而成的電源樹解決方案在噪聲敏感型應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，隨著下一代產(chǎn)品中負(fù)載消耗電流的不斷增大，這種傳統(tǒng)解決方案逐漸暴露出尺寸大、成本高、損耗顯著等弊端，尤其是 LDO 穩(wěn)壓器有限的電流承載能力，成為了系統(tǒng)進一步發(fā)展的瓶頸。

近年來，超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器憑借其出色的電磁干擾（EMI）性能及超低的低頻（0.1 Hz 至 100 kHz）噪聲脫穎而出。先進的超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器在低頻噪聲方面，甚至可與市面上性能的超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器相媲美。其中，ADI 推出的 Silent Switcher 3 系列堪稱進階型超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器的典范，在超低噪聲、高電流承載能力、高效率和小尺寸這四個關(guān)鍵性能維度均處于行業(yè)水平。此前，ADI 的 Silent Switcher 1 和 2 系列已在開關(guān)穩(wěn)壓器領(lǐng)域樹立了標(biāo)桿，以高效率、低電磁干擾噪聲和小尺寸解決方案著稱，能夠支持 65 V 的輸入電壓和 30 A 的輸出電流。而 Silent Switcher 3 則在其成功技術(shù)基礎(chǔ)上進一步革新，僅靠單個采用 4 mm×4 mm 緊湊型封裝的集成電路，就能實現(xiàn)高達 16 A 的電流輸出，并且相較于 Silent Switcher 2 系列，憑借創(chuàng)新的電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功實現(xiàn)了更低的低頻輸出噪聲。

一、為鎖相環(huán)（PLL）供電的應(yīng)用

在 RF 系統(tǒng)中，許多組件和系統(tǒng)對噪聲都極為敏感，高性能 PLL 便是其中之一。它能為 ADC、DAC、FPGA 和其他數(shù)字和混合信號 IC 提供所需的高質(zhì)量時鐘信號，其性能主要依據(jù)相位噪聲這一關(guān)鍵指標(biāo)進行評估。本次研究選用了廣受歡迎的額定頻率為 5 GHz 的高性能 PLL 頻率合成器 ADF4372。實驗中，ADF4372 的 3.3 V 電源始終由超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器（LT3045）供應(yīng)，而 5 V 電源則由 Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器驅(qū)動。

研究結(jié)果表明，基于 Silent Switcher 3 技術(shù)的單級解決方案在為高性能 PLL 供電時，能實現(xiàn)出色的 PLL 性能。在 10 Hz 到 100 kHz 范圍內(nèi)，其相位噪聲與采用 LDO 穩(wěn)壓器為 5V 電源軌供電時近乎一致。然而，在約 250 kHz 處出現(xiàn)了一個尖峰，導(dǎo)致在 100 kHz 至 500 kHz 范圍內(nèi)的相位噪聲略有升高。這一尖峰是由 Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器的輸出噪聲引起的，主要是由于低控制環(huán)路增益（約 0 dB）無法抑制此頻率范圍內(nèi)的輸出噪聲。通過調(diào)整補償來增加 Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器的控制帶寬，可有效降低噪聲尖峰，優(yōu)化后的相位噪聲在約 250 kHz 處的尖峰幾乎被消除，降低幅度超過 10 dBc/Hz。

為了進一步提升相位噪聲性能，還可以在 Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器的輸出端添加一個次級（第二個）LC 濾波器。配備該濾波器后，輸出電壓的檢測可在本地輸出端進行，以簡化控制環(huán)路的設(shè)計。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，在 250 kHz 處實現(xiàn)大于 10 dBc/Hz 的衰減量，經(jīng)計算和考慮電感公差，終選定第二級 LC 濾波器的電感值為 330 nH，并添加 120 mΩ 的阻尼電阻以控制品質(zhì)因數(shù) Q 在 1.5 以下。實驗結(jié)果顯示，配備第二級 LC 濾波器后，基于 Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器的解決方案所實現(xiàn)的相位噪聲性能幾乎與采用超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的兩級解決方案相當(dāng)，且遠低于 Silent Switcher 2 穩(wěn)壓器和其他供應(yīng)商的常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器。

二、為 ADC 系統(tǒng)供電的應(yīng)用

ADC 系統(tǒng)在眾多 RF 應(yīng)用中廣泛使用，本研究選用了帶寬為 9 GHz 的進階型高速 ADC AD9208。研究分為兩部分，部分研究將 Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器用作 PLL 時鐘電源時 ADC 系統(tǒng)的性能。實驗中，ADF4372 的 3.3 V 電源軌由超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器（LT3045）供電，5 V 電源軌則由 Silent Switcher 3 解決方案或其他電源解決方案供電，AD9208 由默認(rèn)電源解決方案供電。結(jié)果顯示，與其他開關(guān)穩(wěn)壓器相比，Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器能讓 ADC 實現(xiàn)性能，在 1.23 GHz 附近具有的噪聲，但其 FFT 波形在頻率偏移約 250 kHz 處仍有一個平臺區(qū)，這與 ADF4372 輸出信號相位噪聲圖中相同頻率處的小尖峰吻合。通過添加第二級 LC 濾波器，可有效消除這一小雜散信號，提升 ADC 的性能，使 ADC 輸出的終 FFT 波形在主信號 1.23 GHz 附近呈現(xiàn)出極低的噪聲，幾乎與超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的結(jié)果相同。

對 ADC 系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)信噪比（SNR）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）的評估結(jié)果表明，未使用任何 LDO 穩(wěn)壓器進行后級穩(wěn)壓的 Silent Switcher 3 解決方案所實現(xiàn)的 AD9208 的 SNR 和 SFDR 與采用超低噪聲 LDO 穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)兩級解決方案相同，且遠遠高于其他開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案。與未采用超低噪聲設(shè)計的 LDO 穩(wěn)壓器相比，Silent Switcher 3 解決方案在 SNR 方面略勝一籌，SFDR 則旗鼓相當(dāng)。

第二部分研究采用 Silent Switcher 3 穩(wěn)壓器為 ADC 供電時系統(tǒng)的性能。實驗選取 AD9208 的一個模擬電源軌 AVDD1 作為示例，結(jié)果證明單級 Silent Switcher 3 解決方案能夠取代傳統(tǒng)的兩級解決方案為 ADC 供電，且不會削弱 ADC 的性能。ADC 的性能對電源的低頻噪聲不太敏感，而對開關(guān)紋波更為敏感。使用低頻噪聲過高的常規(guī)開關(guān)穩(wěn)壓器為 AVDD1 供電，會使 ADC 在基頻附近的輸出噪聲變差，開關(guān)紋波會傳導(dǎo)至 ADC 輸出，導(dǎo)致 FFT 結(jié)果出現(xiàn)明顯的雜散信號。而基于 Silent Switcher 3 技術(shù)的單級解決方案，通過合理的濾波器設(shè)計，能夠滿足 ADC 的電源需求，確保其達到令人滿意的性能表現(xiàn)。

三、新型簡化電源樹的優(yōu)勢

基于 Silent Switcher 3 技術(shù)，可以為 ADC 系統(tǒng)設(shè)計一種新型簡化電源樹，無需使用任何 LDO 穩(wěn)壓器。與原始電源樹相比，新型電源樹僅包含五個 Silent Switcher 3 集成電路，而原始電源樹需要兩個開關(guān)穩(wěn)壓器和六個 LDO 穩(wěn)壓器。這種簡化結(jié)構(gòu)能夠大幅節(jié)省 PCB 面積，顯著降低成本，同時將效率從 61.7% 提高到 84.8%，總功率損耗降低了 71%，從 3.919 W 降低到了 1.136 W。未來，針對小于 1 A 應(yīng)用場景專門開發(fā)的超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器，有望進一步提升基于 Silent Switcher 3 技術(shù)的電源樹的效率。

總結(jié)

超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器以其在較寬頻率范圍內(nèi)的超低輸出噪聲、較高的效率和輸出電流能力，成為噪聲敏感型 RF 應(yīng)用的理想選擇。ADI 的 Silent Switcher 3 技術(shù)憑借突破性的噪聲性能，在低頻噪聲控制上超越了大多數(shù) LDO 穩(wěn)壓器。通過在高性能 PLL 時鐘和 ADC 系統(tǒng)供電中的應(yīng)用可以看出，基于 Silent Switcher 3 技術(shù)的單級電源解決方案能夠取代傳統(tǒng)的兩級解決方案，確保系統(tǒng)性能不受影響，同時還能實現(xiàn)元件數(shù)量減少、解決方案尺寸縮小和功耗大幅降低等顯著優(yōu)勢。在未來的電子技術(shù)發(fā)展中，超低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動 RF 系統(tǒng)不斷邁向新的高度。