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线性稳压器的电压输入至输出控制——第一部分：快速入门和优势

本文作者：Andrew Radosevich 点击： 2026-01-23 11:51

前言：

作者：Andrew Radosevich，产品应用首席工程师 Matt Grobelny，产品营销经理

摘要

本系列文章由两部分组成，第一部分介绍电压输入至输出控制(VIOC)系统。这种系统通常配置为具有VIOC特性的低压差(LDO)稳压器和降压拓扑开关稳压器的组合。随后，文章针对VIOC系统设计提供了具体指导，包括LDO和开关稳压器的建议搭配清单，并说明了搭配的理由。最后，文章阐述了如何使用LDO的VIOC特性来降低LDO输出端的噪声、优化功耗、在故障期间保护系统，确保系统在启动和过载等动态条件下正常运行。第二部分在第一部分的基础上，进一步探讨了VIOC系统设计，并介绍了VIOC的工作原理和背景。

引言

在电源管理领域，低压差(LDO)稳压器对确保电子元器件获得高性能电源起着关键作用。LDO的低噪声性能至关重要，尤其是在精密模拟电路、RF系统和医疗设备等噪声敏感型应用中，LDO可提供纯净的电源，有效降低干扰，增强信号完整性。LDO与电压输入至输出控制(VIOC)功能及兼容的开关稳压器配合使用时，可形成一个始终维持最佳输入输出电压差的系统。这种设计不仅能显著降低噪声，实现高电源电压抑制比(PSRR)，还能确保系统高效运行、受到保护且具备强大性能。本文深入探讨了实现VIOC的复杂细节，并阐述了VIOC的优势和实际应用。通过了解VIOC的协同作用，工程师可以优化各种电子设备的电源管理解决方案。

无论是否带有VIOC，LDO都属于电源管理产品类别。电源管理涉及使用稳压器或转换器等集成电路(IC)来为放大器、数据转换器或处理器等电子负载供电。LDO是电源管理IC的一个子类，旨在为电子负载直接供电，主要作用包括：提升负载性能，有效降低负载之间不必要的相互干扰，确保系统中的电源IC和负载按正确时序上电和关断。

带VIOC的LDO通过内部电路提供一个外部信号来控制为LDO供电的开关稳压器的输出，从而使LDO的输入输出电压差保持恒定，如图1所示。线性稳压器本质上是晶体管电路，能够以相对较低的噪声供电，但对输入输出电压差很敏感，效率也由此决定。开关稳压器通过功率晶体管（开关）的快速切换来传输能量。开关稳压器使用功率开关及电感和二极管，高效地将输入电压转换为更适合为LDO供电的电压。

图1.此VIOC系统为LDO维持一致的输入输出电压差

使用VIOC将降压转换器与LDO相结合以增强性能

典型的VIOC电路采用降压开关稳压器来为具有VIOC特性的LDO供电。由此得到的电路是一种非常强大的配置，兼具降压稳压器的高效率特性和LDO的低噪声性能。降压稳压器又称为降压转换器，是一种开关转换器，能够高效地将输入转换为低于输入电压的稳定输出。

创建VIOC电路的第一步是选择LDO和开关稳压器。ADI公司提供多种集成VIOC功能的LDO。LT3045-1和LT3041系列及LT3073、LT3074和LT3078系列均有最新版本的VIOC特性。LT3045-1和LT3041线性稳压器的输出电流范围为500 mA至1 A，输入电压范围约为2 V至20 V，只需要一个输入电源。LT3073、LT3074和LT3078的输出电流范围为3 A至5 A，输入电压范围为0.6 V至5.5 V，需要一个额外的低电流BIAS输入电源。任何带有反馈(FB)引脚的开关稳压器都可以与这些使用VIOC的LDO组合使用，但在选择设计所用开关稳压器之前，请注意以下事项：

• 支持VIOC的LDO可与任何类型的开关稳压器拓扑配合使用，但最常与降压稳压器配合使用。

• LT3045-1和LT3041 LDO必须与FB电压为1 V或更低的开关稳压器搭配，使得LDO VIOC引脚可以在1 V电压下工作（有关详细信息，请参阅数据手册）。

• 在VIOC系统中，具有补偿引脚的开关稳压器与没有补偿引脚的开关稳压器相比，可能更容易稳定。

• 开关稳压器和LDO评估板可以方便地评估VIOC系统硬件的工作。

• 具有VIOC功能的LDO不能与Silent Switcher® 3 (SS3)开关稳压器搭配使用，因为SS3稳压器没有常规FB引脚。

• 与典型VIOC电路相比，带有集成高侧反馈电阻的µModule®稳压器无法使LDO保持恒定的输入输出电压差。

• 使用VIOC的电路需要专用电压轨作为LDO前级，而不是支持多个电压轨的前级。

• 与独立LDO设计相比，VIOC需要更多元件。VIOC电路所需的额外元件包括：为LDO供电的开关稳压器的反馈分压器中的额外电阻器，以及开关稳压器输出通常使用的额外电容。

为了简化设计过程，ADI提供了指导，说明哪些降压开关稳压器最适合搭配带有VIOC特性的特定LDO使用。表1列出了与具有VIOC的推荐LDO组合使用的合适开关稳压器，并提供了所有LDO的说明。这些搭配基于前面列出的考虑因素，因此在构建由降压稳压器和具有VIOC特性的LDO组成的VIOC电路时，请遵循上文和表1中给出的指导。表1所列LDO的数据手册中提供了许多VIOC电路参考设计。

表2提供了表1所列降压稳压器的详细说明。这些信息有助于设计人员选择不仅满足电气要求，而且符合限制条件（例如开关稳压器的输入电压范围、负载电流能力和工作电流）的稳压器。除了推荐用于VIOC的开关稳压器外，表2还列出了开关稳压器的反馈引脚电压、可用模式、评估板产品型号和补偿引脚的可用性。

VIOC的噪声最小化和高PSRR优势

如上所述，当LDO与VIOC功能及兼容的开关稳压器配合使用时，可形成一个始终维持最佳输入输出电压差的系统，从而不仅显著降低噪声，实现高PSRR，还能提升性能。

表1.推荐用于VIOC系统的LDO和开关稳压器

LDO	LDO说明	推荐的开关稳压器1	推荐的开关稳压器2	推荐的开关稳压器3
LT3041	具有VIOC控制功能的20 V、1 A、超低噪声、超高PSRR线性稳压器	LT8608	LTC3307A	LTC3626
LT3045-1	具有VIOC控制功能的20 V、500 mA、超低噪声、超高PSRR线性稳压器	LT8608	LTC3307A	LTC3626
LT3073	3 A、超低噪声、高PSRR、45 mV压差超快线性稳压器	LT8609A	LTC3309A	LTC8640
LT3074	带PMBus的5.5V、3A、超低噪声、高PSRR、45mV压差线性稳压器	LT8609A	LTC3309A	LTC8640
LT3078	5.5 V、5 A、超低噪声、高PSRR、55 mV压差、超快线性稳压器	LTM4658	LTC3309A	LT8642S

表2.表1推荐的开关稳压器的说明

用于VIOC的开关稳压器	开关稳压器说明	反馈引脚电压(VFB)	可编程为跳脉冲或强制连续模式	评估板	是否有补偿引脚？	备注
LT8608	具有2.5 μA静态电流的42 V、1.5 A同步降压稳压器	0.778 V	是	DC2458A	否
LT8609A	具有2.5 μA静态电流的42 V、3 A同步降压稳压器	0.782 V	是	DC2195B-A	否
LT8640	具2.5 μA静态电流的42 V、5 A同步降压型Silent Switcher	0.97 V	是	DC2202A	否
LT8642S	18V、10A同步降压型超低噪声开关稳压器2	0.597 V	是	DC2560A	是	无跳脉冲模式
LTC3307A	5V、3A同步降压型Silent Switcher稳压器，提供2 mm x 2 mm LQFN封装和1.6 mm × 1.6 mm WLCSP封装	0.5 V	是	DC2990A	否
LTC3309A	5 V、3 A同步降压型Silent Switcher稳压器，采用2 mm x 2 mm LQFN封装	0.5 V	是	DC2745A	否
LTC3626	20 V、2.5 A同步单芯片降压稳压器，具有电流和温度监测功能	0.6 V	是	DC1768A	是	无跳脉冲模式
LTM4658	低V_IN、高效率10A降压型DC-DC µModule稳压器	0.5 V	是	DC2861A	是

有些用户只是想改变LDO的输出电压，但不希望采用复杂的方案来调节给LDO电源供电的开关稳压器的输出电压。与图1中的电路相反，图3所示的电路没有VIOC，因此当调高或调低LDO输出时，开关稳压器的输出保持不变。图2显示，图3电路的PSRR性能在LDO输出电压较高情况下会下降，原因是在LDO输出电压增加而LDO输入不增加的情况下，开关稳压器的输出电压纹波在LDO输出端引起的噪声会增加。

图2.这些示波器截图针对的是图3中的电路，表明随着LDO输出电压提高，PSRR引起的噪声会加剧

现在考虑一下VIOC相比图2和图3所示例子的优势。图1电路所示的VIOC系统会在LDO输出发生变化时，维持LDO的输入输出电压差一致，使旨在有效抑制噪声的PSRR保持高水平。开关稳压器的输出电压会在LDO输出降低时自行调低，在LDO输出提高时自行调高。因此，当LDO的输出电压变化到三个不同电平时，开关稳压器的输出电压纹波在LDO输出端引起的噪声依然保持较低水平，如图4所示。

图3.此电路不使用VIOC

VIOC的优势：提升效率、加强保护和优化运行

除了噪声最小化、高PSRR优势之外，具有VIOC的系统还能始终保持最佳的输入输出电压差，使其工作高效、安全且性能强大。效率方面的优势是显而易见的，因为当LDO输出电压降低而LDO输入电压保持不变时（如图3电路所示），LDO的功耗会增加，效率会降低。对于图1中的VIOC系统，即使LDO输出发生变化，VIOC也能使LDO保持恒定的输入输出电压差，因此功耗保持不变。

图4.这些示波器截图针对的是图1中的电路，表明PSRR引起的噪声始终很低，原因是该电路使LDO保持恒定的输入输出电压差

此外，在不使用VIOC的系统中，某些情况和故障可能会导致LDO输入输出电压差增大到不可接受的水平。例如，如果开关稳压器输出和LDO输出都被设定为相对较高的电压，并且LDO上存在输出短路故障，则LDO输入输出电压差可能会急剧增大。LDO上的输出短路故障会导致LDO两端的输入输出电压差过高，因为没有VIOC来强制开关稳压器的输出电压降低并维持设定的LDO输入输出电压差。当LDO输出短路时，故障期间LDO的高输入输出电压差会大大增加LDO的功耗，使得LDO温度可能超过建议工作温度，从而造成可靠性降低。

当LDO输出短路时，故障期间LDO的高输入输出电压差还会阻止LDO在短路输出故障消除后正常恢复，因为许多高压LDO具有一种称为限流折返的保护特性。

限流折返是电源和稳压器中使用的一种保护技术，用于在发生过流或短路情况时降低输出电流。与在故障期间维持恒定电流的简单限流不同，折返限流会同时降低输出电压和电流，从而降低电路元件的功耗。这有助于保护电源和相连器件免于因过热和过大电流而受损。1

图5显示了LT3041 LDO的典型限流折返。注意在图5中，当输入输出电压差大于11 V时，LDO能够输出更小的电流。ADI的许多LDO数据手册都包含一个名为“过载恢复”的章节，其中解释了当LDO输出上的短路故障消除后，为什么限流折返可以阻止输出电压设定值和负载相对较高的LDO恢复到正确的输出电压。

图5.LT3041 LDO的典型限流折返

无VIOC的电路中的限流折返也会阻止高电压电路正常启动，因为当电路开启时，LDO的输出电压最初为零伏，然后逐渐上升至正常运行期间的期望输出稳定电压。如果输入电压在开启时相对较高，限流折返可能会过度限制LDO电流，并阻止LDO输出电压上升至期望的稳定电压。VIOC自动维持正确的开关稳压器输出电压，从而维持正确的LDO输入输出电压差，确保电路在故障和启动情况下都能正常工作。

结语

本系列的第一部分为理解如何使用支持VIOC的LDO与降压稳压器的组合（现代应用中最普遍的配置）来设计高效、低噪声电源系统奠定了基础。本文还探讨了推荐的LDO与开关稳压器搭配方案及其背后的依据，说明了深思熟虑的器件选择能够显著提升系统性能。本文展示了如何利用VIOC特性降低输出噪声、提高热效率，并增强启动和过载恢复期间的系统保护和性能。

本系列的第二部分将探讨这些器件如何保持恒定的输入输出电压差，并介绍可简化VIOC系统实现的实用工具。

参考文献

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

作者简介

Andrew Radosevich是ADI公司的高级经理。他曾担任开关稳压器和线性稳压器产品应用工程师多年，现在领导一支提供相关技术支持的团队。Andrew拥有圣何塞州立大学电力电子专业电子工程硕士学位。

Matt Grobelny自2024年起担任ADI公司LDO和单芯片升压转换器的产品营销经理。他拥有利默里克大学VLSI系统工程硕士学位和弗罗茨瓦夫科技大学光电子学工程硕士学位。Matt曾担任评估和应用工程师多年，深耕开关稳压器和光学激光驱动器领域，拥有丰富的实践经验。

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