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干货 资深工程师带你深入理解LDO

发布时间:2019-06-04 03:11 来源:未知 编辑:admin

  根据调整管的工作状态,我们常把稳压电源分成两类:线性稳压电源和开关稳压电源。此外,还有一种使用稳压管的小电源。这里说的线性稳压电源,是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。而在开关电源中则不一样,开关管是工作在开、关两种状态下的。

  LDO的工作原理是通过反馈调整MOSFET的Vsd压降以使输出电压不变。输出电压纹波小,电流也较小,用于RF模块或音频模块等对电压要求高的电路。特点是成本低噪音小。缺点是效率低,输出电流小,只能用在降压的场合。必须要注意,为了达到稳定的回路就必须使用负反馈。

  该电路主要是由串联调整管、取样电阻、比较放大器组成。取样电压加在比较放大器的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压Uref相比较,两者的差值经放大器A放大后,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时,基准电压与取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和串联调整管回路反应速度的限制。环路内的负反馈总是强制比较放大器调节输入两端的电压使其相等。

  在diag下效率为67.86%,在OS下效率为66.62%。输入输出电流基本相等,是因为输入电流到输出电流,经过PNP调整管,只在栅极消耗了一点。以S1167B33-I6T2G为例测得的输入输出曲线如下图:

  输入端大于3.3V时,一直有恒定的3.3V输出,大于2.8V小于3.3V时,输入等于输出,小于2.8V时,系统就不稳定了。把输出端对地短路,并未出现大电流(0.02mA)。6.5V是spec中定义的,由于怕损伤器件,输入并未超过6.5V测量。

  稳压管的另一个重要的指标就是稳定性,在我们的设计线路中常常看到在其输出端会有大大小小的电容,其作用是什么呢?下面具体分析稳压管的反馈及回路稳定性。

  三种稳压器的最大区别在于压降和接地引脚电流。很明显NPN和准LDO的稳压管在调整管上稍微复杂点,所以压降也大些。达林管的增益很高,所以只需要很小的电流就可以驱动,准LDO也是这样,IGND很小。PNP管的放大系数一般是15-20,LDO的IGND电流能达到负载电流的7%。 NPN稳压管的最大好处就是无条件的稳定(大多数不需要加外接电容),LDO则需要在输出端加上电容,以减少回路带宽及提供些正的相位补偿。

  所有的稳压器都使用负反馈回路以保持输出电压的稳定。但反馈信号在通过回路后都有一定的增益和相位变化。如果反馈信号相位有180度变化,负反馈就会变成正反馈,造成输出不稳定。因此反馈信号经过整个回路的相位偏移,需要有至少20度的相位裕度,这样才能保证电路的稳定。(相位裕度定义为回路总的相位偏移与-180度的差)

  环路的不稳定来自于相位移量,我们可以在反馈回路中通过变压器注入正弦小信号,如下图所示,Loop Gain=Va/Vb,从Vb传入交流小信号,同过回路产生相移到达Va。这样可以计算回路增益,相位的偏移量。(此处以LDO分析)

  可以通过网络分析仪来测量回路增益,它通过向网络回路注入低电平的正弦波,然后从直流信号扫描到使增益下降到0dB的频率来测量增益的响应。

  从这个波特图能看出这个系统稳定么?前面说了系统是否稳定主要看相位移量,而我们只要看在0dB时的相移就可以了(图中是1MHz)。

  看似上面的分析比较复杂,其实是自动控制理论里面的传输函数和根迹图的概念.简单的说,一个(线形)系统是否稳定(不会产生振荡)取决于它的传输函数的极点分布.(极点的实部必须小于零),而且极点实部负数的绝对值越大,系统越稳定.我们就可以通过增加极点或是零点来调节相位裕度,从而使系统达到稳定。

  调节LDO系统的稳定性,最常见的补偿方法是在系统中插入零点来取消相移和极点。由于 LDO 已经就正常运行要求了一个输出电容器,因此使用输出电容器的ESR通常就是最简单也最廉价的生成零点的方法。等效串联电阻(ESR)是每个电容都具有的几个基本特性。可以看为电阻和电容的串联等效电路。

  输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点,用来减少过量的负相移。增加系统的带宽,使更稳定。零点处的频值:

  假设一个LDO系统在0dB时的截止频率是30kHz。在其输出端增加输出电容为10uF,输出电容的ESR=1ohm。则在16kHz处产生零点。

  一般的LDO会由负载阻抗、输出容抗等自身产生一些极点。图中有3个极点(具体由来就不做分析,可由网络分析仪扫描出),但有1个Ppwr在0dB之后的频段,也就是带宽之外,可以不考虑。从上面两幅波特图的对比看出,第二张图增益曲线,当增加了输出电容后,从80dB到0dB变得更平缓些。系统的带宽大概从40KHz增加到100KHz左右。相位裕度也相应的增加(此例就不仔细计算了)。

  那么系统对ESR又有什么要求呢?比如此例中设ESR=20ohm,则零点频率会降低到Fzero=800Hz,使系统的带宽增加到2MHz,从整个的波特图我们发现在100K到2MHz之间又多了一个极点Ppwr。这就意味着系统又有了-90度的相移,零点就失去了其意义。那么ESR是不是越小越好呢?设ESR=50mohm。零点频率会降到320kHz。不用看就知道,系统地稳定性基本没改变,因为系统的带宽就是40KHz,增加的零点频率为320KHz已经超出了带宽。

  为了补偿LDO稳压器的。所以选择的电容ESR要求要严格,首先要符合系统的回路频率特性,同时也要有较好的温度特性,不能随温度变化而变化过大。频率响应也是重要的指标。这点钽电容是比较好的选择。(ESR是指在一定温度下的某个频率下的最大阻值,厂商一般定义为25摄氏度100KHz)

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