文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190903
中文引用格式： 阮頤，王甲，張兵兵. 高性能LDO在安防監控系統中的應用[J].電子技術應用，2019，45(12)：67-69，82.
英文引用格式： Ruan Yi，Wang Jia，Zhang Bingbing. Application of high performance LDO in security monitoring system[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(12)：67-69，82.
0 引言
智能時代的加速到來為安防行業注入了新的活力，隨著通信技術的快速發展，人們對監控系統的圖像和語音質量也提出了更高的要求。
作為系統的電源管理芯片，LDO(Low Dropout Linear Regulator)相比于DC/DC電路，具有低壓差、低噪聲、高PSRR(Power Supply Rejection Ratio)、外圍電路簡單等特點。鑒于安防監控系統對全頻段的噪聲非常敏感，高性能的LDO可以提供完美的解決方案[1]。
1 安防監控系統方案
本文以網絡攝像機IP CAMERA(簡稱IPC)為例，介紹安防監控系統方案。
網絡攝像機是一種結合傳統攝像機與網絡技術所產生的新一代攝像機，它可以將影像通過網絡傳至地球另一端，且遠端的瀏覽者不需用任何專業軟件，只要標準的網絡瀏覽器(如Microsoft IE或Netscape)即可監視其影像。網絡攝像機一般由鏡頭、圖像/聲音傳感器、A/D轉換器、圖像/聲音/控制器網絡服務器、外部報警、控制接口等部分組成。網絡編碼模塊將模擬攝像機采集到的模擬視頻信號編碼壓縮成數字信號，從而可以直接接入網絡交換及路由設備。網絡攝像機內置一個嵌入式芯片，采用嵌入式實時操作系統。
IPC的設計框圖如圖1所示，系統方案由嵌入式主控芯片、電源管理、光學傳感器、存儲器、音頻電路、馬達驅動電路和接口部分組成。
從圖1可以看到IPC電源管理部分的設計。通過一個DC/DC電路(開關電源)將12 V直流供電轉換成3.3 V后，需要多路LDO提供不同電壓的輸出，給系統的數字電源、模擬電源、主芯片的內核以及IO供電。
IPC系統中采用了多路LDO進行供電，在安防監控系統中，對圖像和語音的質量有較高的要求，因此對于噪聲尤為敏感，所以需要選用高性能的LDO為系統供電或者提供參考電壓。
2 LDO在安防監控系統中的關鍵指標
LDO的關鍵指標有輸出精度、輸入輸出最小壓差、負載調整率、線性調整率、瞬態響應、溫度特性等，其中安防監控系統中比較敏感的指標是底噪和PSRR。
LDO輸出端的噪聲由兩部份組成，一部分來自LDO的輸入端，由前級電路引入；另外一部分來自LDO本身。由輸入端引入的噪聲可以通過提高LDO的電源抑制比(PSRR)來解決，LDO內部電路產生的噪聲即LDO的低噪，可以通過優化LDO的設計，采用低噪聲的帶隙基準或者引入前饋電容來優化輸出底噪[2]。
圖2和圖3分別為通用LDO的噪聲頻譜和低噪聲LDO的噪聲頻譜。低噪LDO在音頻頻譜內(20 Hz～20 kHz)有更好的表現。
在帶有音頻信號處理的安防監控系統中，LDO會用來給麥克前級電路提供偏置電壓。由于麥克微弱的信號在系統中會經過放大和A/D(模數)轉換，因此LDO在音頻范圍內(20 Hz～20 kHz)的底噪的差異會對編解碼后的數字音頻輸出產生較大的影響。
圖4和圖5為通用LDO的PSRR和高性能LDO的PSRR頻率曲線。由于安防監控系統在電源管理模塊中第一級電壓轉換采用開關電源的輸出作為后級LDO的輸入，因此LDO的電源輸入端會存在較大的噪聲，高PSRR的LDO可以為后級電路提供純凈的電源或者電壓基準，從而降低整個系統的噪聲[3-6]。
高性能LDO的PSRR曲線在音頻端(20 Hz～20 kHz)的表現決定了IPC系統輸出的音頻噪聲。圖像傳感器的動態負載范圍在1 000 kHz到1 MHz之間。因此，在較高頻率下，高的PSRR可改善圖像質量[7]。
3 IPC系統的音頻噪聲測試
在IPC系統中，LDO輸出端的噪聲決定了監控系統音頻和視頻輸出端的噪聲。為了降低噪聲，系統采用了一路單獨的LDO為麥克輸入信號提供電壓偏置，以音頻為例對LDO在IPC系統中的表現作對比測試。
LDO輸出噪聲由兩部分組成，即LDO的本底噪聲和LDO輸入電源端的噪聲。圖6為開關電源輸出噪聲，即LDO的電源輸入端的噪聲。
從圖6中可以看到，LDO的輸入端在低頻端有較大的噪聲，這對于LDO的電源抑制性能是很大的考驗。
在IPC的解碼后的音頻輸出端進行測試，采用通用的LDO會在音頻輸出端得到較大的噪聲，噪聲的頻譜特性如圖7所示。
從圖7中可以看到，IPC系統解碼后的音頻輸出在20 Hz～4 000 Hz頻率范圍內存在較大噪聲。
選用低噪聲、高PSRR的高性能LDO，會改善IPC系統的音頻輸出噪聲。圖8為高性能LDO在IPC中的音頻輸出噪聲頻譜。
從圖8中可以看到，20 Hz～4 000 Hz頻率范圍內的系統輸出噪聲有了明顯改善。
4 結論
隨著萬物互聯和智能終端的普及，LDO得到了越來越廣泛的應用，僅以IPC系統為例，就用到了5路LDO作為電源或者提供偏置電壓。隨著主控芯片的不斷升級和系統的復雜度不斷提高，低噪聲、高PSRR的LDO會成為電源管理芯片的主流，得到更加廣泛的應用。
參考文獻
[1] 阮頤，王甲，宋清亮.基于網絡分析儀的LDO PSRR測量[J].集成電路應用，2018(5)：64-66.
[2] 朱勤為，唐寧，吳鵬，等.LDO低輸出噪聲的分析與優化設計[J].電子器件，2009(10)：875-879，883.
[3] 阮頤，王甲.一種低壓差線性穩壓器LDO高頻段電源抑制比的測試方法[J].集成電路應用，2018(10)：15-17.
[4] 何洋，馬永旺，侯佳力，等.一種使用Capless LDO結構的片上電容的預估方法[J].電子技術應用，2019，45(2)：23-26.
[5] 周志興，來強濤，郭桂良，等.一種應用于LDO的寬范圍穩壓電路[J].電子技術應用，2019，45(3)：28-31.
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[7] 黃月娥.寬輸入輸出超低靜態電流高PSRR LDO的設計研究[D].西安：西安電子科技大學，2014.
作者信息:
阮 頤，王 甲，張兵兵
(上海貝嶺股份有限公司，上海200233)