从射频信号完整性到电源完整性』每个VRM都是一种特殊的功率放大器（PA）

Qorvo首席系统工程师/高级管理培训师 Masashi Nogawa 将通过《 从射频信号完整性到电源完整性 》这一系列文章，与您探讨射频（RF）电源的相关话题，以及电源轨可能对噪声敏感的RF和信号链应用构成的挑战。本文将讨论 VRM作为特殊功率放大器的工作原理及其与RF/信号链领域中的共通点 。

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在射频（RF）和信号链领域的 许多工程师将电压调节模块系统视为“电源” ；而与他们的信号链电子元件截然不同。那么，就让我们在RF/信号链工程师和电源技术工程师之间找到一些共通点。

当我们观察VRM的结构时，从简单的线性调节器或LDO（低压差线性稳压器）到复杂的SMPS（开关模式电源=开关稳压器），可以发现 其关键调节元件是负反馈回路中的误差放大器（EA） （如图1所示）。将我们的注意力聚焦于这个EA，可以追溯其正输入端口至电压基准“VREF”，并看到其负输入端口通过必要的分压电阻网络连接到输出电压。反馈信号的微小变化会通过功率级对输出进行校正，因此从这个以EA为中心的视角来看， VRM只是一种特殊类型的功率放大器 。

图1，N-MOS LDO结构

VRM有何特别之处？

在RF或信号链中，几乎所有的功率放大器（PA）都被期望将信号放大到更高的电压/电流/功率水平，同时保持信号的波形（如图2所示）。而VRM作为一种特殊的功率放大器，其设计目标是将其参考电压“VREF”放大至恒定的输出电压水平。如果这个输出电压在变化条件下依然“坚如磐石”，VRM即被判定为“良好”。换句话说， VRM只是产生恒定的直流偏置点 ——这是RF和信号链工程师经常使用的一个术语；其指代电源轨，无论是低压还是高压。如果VRM的电压基准被一个信号调制，那么输出端就会呈现更高等级的模拟量信号。当然，在使用VRM时，要特别注意避免基准上出现任何杂散信号，以确保输出电压恒定，并通过到EA的反馈信号来纠正出现的任何偏差。

图2，与VRM相似的RF PA功率放大器

这种视角通过将VRM类比为处理“信号”的放大器，使我们对其有了更好的理解。作为一种特殊的功率放大器，RF或信号链工程师所关注的所有问题也都同样适用于VRM。“VRM就是功率放大器”这一说法让我们得出了一个直接而简单结论： 如果您的“VREF”移动到不同的直流电平或有交流叠加，它就被视为需要放大的“信号”。

VRM只是按设计增益放大其“VREF”电压。例如，许多输入为5V或12V的降压（buck）稳压器使用0.8V的基准电压产生3.3V的输出，因此具有“x4.125”（= 3.3V / 0.8V）的增益。由于我们的VRM可视为“x4.125”增益的放大器，那么如果0.8V“VREF”出现0.5%的误差会发生什么情况？ 0.8V“VREF”的0.5%误差意味着我们有4mV的误差被放大“x4.125”倍 ，从而导致3.3V输出中存在16.5mV的误差，即目标输出电压的0.5%误差。

当“VREF”在频率域中变化时，审视其所造成的影响会变得十分有趣。

在本系列文章中，我们将 任何示例电路在1Hz或10Hz的响应视为直流行为 ，不再另行通知。

低频如何被视为直流？

如今，电源管理IC中使用的硅技术已足够快，可以将低于100Hz的任何信号视为“直流行为”，除非需要针对如此低的频率进行专门处理。这意味着任何由一对电阻和电容元件构成的时间常数值都不会超过10毫秒。

如果我们VRM的“VREF”叠加了高频白噪声 ，例如频率高达10MHz，那么它就会尝试放大这个白噪声作为其输入信号（“VREF”作为“信号”进入EA的正“+”输入端）。请注意，我们在讨论一种假设的VRM使用方式，在实际应用中并不可取。

那么，VRM是否会输出高达10MHz的白噪声呢？答案是“不会”。

在此，我们需要考虑VRM系统的负反馈控制环路带宽（BW）。当VRM中形成负反馈环路，我们只有有限的平坦增益带宽；而超过该频率点后，增益会遵循其增益带宽乘积特性而下降。作为一个PA，我们的VRM可以根据这个增益曲线放大“VREF白噪声”。因此，以下论断适用于本系列文章的全部内容： “在其反馈控制带宽之外，VRM能够为您带来的效能也愈发微弱” 。

VRM的增益带宽乘积特性

此仿真示例展示了VRM作为PA的增益带宽（图3）；相关参数和数据源自图4所示的仿真电路图。

*此仿真文件可从GitHub上的Qorvo代码库下载。

图3，典型的LDO增益带宽图

图4，用于生成图3的仿真模型原理图

这款P-FET LDO模型比较了其“ 开环增益 ”和“ 闭环增益 ”。该LDO设计为具有5V输出和内部0.5V基准电压（VREF）；因此从VREF电压的角度来看，它成为一个“x10”的放大器。 当我们将其视为VREF的“x10”放大器时，AC模拟源“Vac”与VREF串联。 尽管我们将其标记为“Vac”，但也可以将之视为添加到VREF上的噪声源；这与本文上一节的内容一致。

“电感电容对”（“Lopen”、“Copen”）用于开启/关闭环路 。当 x=0 时，环路处于“关闭”状态，Rfb与Rg并联后的反馈信号不经滤波，直接发送到误差放大器“A1”。当 x=1 时，环路处于“开启”状态，反馈信号会先经过一个高效的低通滤波器；误差放大器“A1”只设定直流偏置点。

在频域中， 一旦任何信号、噪声，或任何动态信号超出了全增益带宽，相位响应下降，VRM的响应就会越来越弱 ……最终无法作为PA而发挥任何作用。

很多工程师期望他们的VRM在环路带宽之外能有更好的表现。例如，许多IC供应商会展示他们LDO器件在很高频率下的PSRR特性。对于一款非常优秀的LDO器件，其 环路带宽可达1MHz或略高 ，而一旦超过这个频率点，LDO便不再产生响应。在PSRR曲线上，超出带宽的部分实际上反映了输出电容的性能；而即使我们关闭LDO，在这个单位增益频率点之后仍然会得到相同的PSRR曲线。

这一讨论的另一面是，您的VRM确实会放大这种“白噪声VREF”到其带宽极限； 这一现象被称为“VRM自产”噪声 。这个故事听起来与RF或信号链应用中关于“低噪声放大器（LNA）”的讨论颇为相似，实则有所区别。如前所述，这种带噪声的“VREF”是电压调节放大器输出的有效输入，VRM被迫按照其增益去放大VREF电压。相比之下，LNA的噪声被定义为通过短接其正负输入端而添加到输出端的非强制性噪声。当您的VRM输出高电压轨时，这种差异会被极大放大。以1.2V基准电压块为基础的24V输出VRM相当于一个x20的增益放大器，或者说是x20增益的“VREF噪声放大器”。在这种情况下，我们可以得出一个简单的经验法则： 如果可能的话，应使用尽可能高的基准电压来避免“VREF噪声放大效应”。

以 Qorvo的ACT40850 为例，其有效降低了作为功率放大器的VRM增益；该产品在设计上采用了4V基准电压，并经过卓越的噪声过滤，以实现20至55V的输出（图5）。

图5，Qorvo ACT40850 VRM输出噪声