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产品类别:SBW大功率补偿式稳压器

产品名称:LDO通比牛牛稳压器工作原理

产品详情

  输出电容的ESR正在回道增益中爆发一个零点,可能用来省略负相移。零点处的频率值(Fzero)与ESR和输出电容值亲昵干系:

  NPN稳压器的最大好处即是无条目的不变,大无数器件不需异常的外部电容。 LDO正在输出端起码必要一个外部电容以省略回道带宽(Loop Bandwidth)及供给少许正相位变化(Positive Phase Shift)赔偿。 准LDO日常也必要有输出电容,但容值要小于LDO的而且电容的ESR控制也要少些。

  综上,输出电容是用来赔偿LDO稳压器的,因而拔取时务必严谨。基础上一齐的LDO利用中惹起的振荡都是因为输出电容的ESR过高或过低。

  操纵上述条目可能画出相应的波特图(如图13:未赔偿的LDO增益波特图)。

  一齐稳压器都操纵反应回道(Feedback Loop)以保留输出电压的不变。 反应信号正在通过回道后都邑正在增益和相位上有所改良,通过正在单元增益(Unity Gain,0dB)频率下的相位偏移总量来确定回道的不变性。

  用蕴涵三个顶点和一个零点的波特图(图11:波特图)来分解增益和相位裕度。

  于是,简直一齐的LDO都必要正在回道中增添这个零点。该零点日常是通过输出电容的等效串联电阻(ESR)得回的。

  纵然有 14 的相位裕度,体例大概会不变。但许众经历测试数据显示,当ESR >10时,因为其它的高频顶点的分散(正在此简略模子中未示意)很大概会引入不不变性。

  前两个顶点和第一个零点分散使相位从-180变到+90,最终导致汇集相位转动到-90。结果一个顶点正在十倍频程中崭露了0dB点。代入零点相移公式,可能推算出该顶点爆发了-84的相移(正在1MHz时)。加上原先的-90相移,统统的相移是-174(也即是说相位裕度是6)。由此得出结论,该回道不行保留不变,大概会惹起振荡。

  LDO稳压器可能操纵P-FET(P沟道场效应管)举动导通管(图19:P沟道场效应管LDO内部机合框图)。为了说明操纵Pl-FET LDO 的好处,正在PNP LDO(图2)中要驱动PNP功率管就必要基极电流。基极电流由地脚(ground pin)流出并反应回反相输入电压端。于是,这些基极驱动电流并未用来驱动负载。它正在LDO稳压器中牺牲的功耗由下式推算:

  顶点(Pole)界说为增益弧线(Gain curve)中斜度(Slope)为-20dB/十倍频程的点(图9:波特图中的顶点)。每增添一个顶点,斜度推广20dB/十倍频程。推广n个顶点,n ×(-20dB/十倍频程)。每个顶点示意的相位偏移都与频率干系,相移从0到-90(推广顶点就推广相移)。最紧张的一点是简直一齐由顶点(或零点)惹起的相移都是正在十倍频程鸿沟内。

  LDO的输出电容,广泛钽电容是最好的拔取(除了少许特意安排操纵陶瓷电容的LDO,比如:LP2985)。测试一个AVX的4.7uF钽电容可知它正在25℃时ESR为1.3,该值处正在不变鸿沟的核心(图16)。

  准LDO(图3)的不变性和赔偿,应试虑它兼有LDO和NPN稳压器的特色。由于准LDO稳压器应用NPN导通管,它的共集电极组合也就使它的输出极(射极)看上去有相对低的阻抗。

  务必贯注大的陶瓷电容(1uF)广泛会用很低的ESR(<20m),这简直会使一齐的LDO稳压器爆发振荡(除了LP2985)。若是操纵陶瓷电容就要串联电阻以推广ESR。大的陶瓷电容的温度特色很差(广泛是Z5U型),也即是说正在办事鸿沟内的温度的上升和降落会使容值成倍的改变,因而不引荐操纵。

  然而,因为NPN的基极是由高阻抗PNP电流源驱动的,因而准LDO的输出阻抗不会抵达操纵NPN达林顿管的NPN稳压器的输出阻抗那样低,当然它比真正的LDO的输出阻抗要低。

  另一点很是紧张,AVX电容的ESR正在-40℃到+125℃温度鸿沟内的改变小于2:1。铝电解电容正在低温时的ESR会变大许众,因而不适配合LDO的输出电容。

  相位偏移图示意了零、顶点的差别分散对反应信号的影响。为了爆发这个图,就要依照分散的零点、顶点推算相移的总和。正在恣意频率(f)上的顶点相移,可能通过下式推算得回:

  比如,准LDO LM1085可能输出高达3A的负载电流,却只需10uF的输出钽电容来支撑不变性。准LDO创制商未必供给ESR鸿沟的弧线图,因而准LDO对电容的ESR央求很宽松。

  NPN 稳压器的导通管(睹图1)的毗连形式是共集电极的形式。一齐共集电极电道的一个紧张特色即是低输出阻抗, 意味着电源鸿沟内的顶点崭露正在回道增益弧线的高频片面。

  同样操纵上一节提到的例子,咱们假设10uF输出电容的ESR推广到20。这将使零点的频率低重到800Hz(图17:高ESR惹起回道振荡的波特图)。

  然而,LDO的地脚电流会对比高。正在满载时,PNP管的值日常是15~20。也即是说LDO的地脚电流日常抵达负载电流的7%。

  因为NPN稳压器没有固有的低频顶点,因而它操纵了一种称为主顶点赔偿(dominant pole compensation)的技能。本事是,正在稳压器的内部集成了一个电容,该电容正在环道增益的低频端增添了一个顶点(图12:NPN稳压器的波特图)。

  变压器(Transformer)用来将调换信号(AC Signal)注入(Inject)到“A”、“B”点间的反应回道。借助这个变压器,用小信号正弦波(Small-signal Sine Wave)来“调制”(modulate)反应信号。可能丈量出A、B两点间的调换电压(AC Voltage),然后推算回道增益。回道增益界说为两点电压的比(Ratio):

  等效串联电阻(ESR)是电容的一个基础特色。可能将电容示意为电阻与电容的串联等效电道(图14:电容器的等效电道图)。

  P-FET LDO稳压器的另一个益处,是通过调理场效应管(FET)的导通阻抗(ON-resistance)可能使稳压器的跌落电压更低。 对待集成的稳压器而言,正在单元面积上创制的场效应功率管(FET power transistors)的导通阻抗会比双极型开合管(Bipolar ONP Devices)的导通阻抗低。这就可能正在更小封装(Packages)下输出更大的电流。

  也即是说准LDO的功率顶点的频率比NPN稳压器的低,于是准LDO也必要少许赔偿以抵达不变。当然了这个功率顶点的频率要比LDO的频率高许众,于是准LDO只必要很小的电容,况且对ESR的央求也不很苛刻。

  无须推算就晓畅体例是不不变的。两个顶点P1和PL正在0dB处共爆发了-180的相移。若是要体例不变,则零点该当正在0dB点之前赔偿正相移。然而,零点正在320kHz处,依然正在体例带宽以外了,因而无法起到赔偿感化。

  要诠释为什么有这些鸿沟的存正在,咱们操纵前面提到的例子来阐述ESR的崎岖对相位裕度的影响。

  一齐的稳压器,都应用了一致的技能竣工输出电压的不变(图4:稳压器图)。输出电压通过毗连到偏差放大器(Error Amplifier)反相输入端(Inverting Input)的分压电阻(Resistive Divider)采样(Sampled),偏差放大器的同相输入端(Non-inverting Input)毗连到一个参考电压Vref。 参考电压由IC内部的带隙参考源(Bandgap Reference)爆发。 偏差放大器老是试图迫使其两头输入相称。为此,它供给负载电流以保障输出电压不变:

  如前所述,一齐的稳压器都采用反应( Feedback)以使输出电压不变。输出电压是通过电阻分压器实行采样的(图6),而且该分压信号反应到偏差放大器的一个输入端,偏差放大器的另一个输入端接参考电压,偏差放大器将会调理输出到导通管(Pass Transistor)的输出电流以保留直流电压(DC Valtage)的不变输出。

  假设直流增益为80dB。正在最大输出电流时的负载阻值为RL=100,输出电容为Cout =10uF。

  波特图(Bode Plots)可用来确认回道的不变性,回道的增益(Loop Gain,单元:dB)是频率(Frequency)的函数(图5:典范的波特图)。 回道增益及其干系实质不才节先容。 回道增益可能用汇集分解仪(Network Analyzer)丈量。 汇集分解仪向反应回道(Feedback Path)注入低电平的正弦波(Sine Wave),跟着直流电压(DC)的不停升高, 这些正弦波信号达成扫频,直到增益降落到0dB。然后丈量增益的呼应(Gain Response)。

  零点(Zero)界说为正在增益弧线dB/十倍频程的点(如图10:波特图中的零点)。零点爆发的相移为0到+90,正在弧线角的转动。务必大白零点即是“反顶点”(Anti-pole),它正在增益和相位上的结果与顶点凑巧相反。这也即是为什么要正在LDO稳压器的回道中增添零点的因为,零点可能抵绝望点。

  从此式可知,LDO不行通过简略的增添主顶点的形式竣工赔偿。为什么? 先假设一个5V/50mA的LDO稳压器有下面的条目,正在最大负载电流时,负载顶点(Pl)崭露的频率为:

  拔取具有很低的ESR的输出电容,因为少许差别的因为也会爆发振荡。陆续沿用上一节的例子,假定10uF输出电容的ESR惟有50m,则零点的频率会变到320kHz(图18:低ESR惹起回道振荡的波特图)。

  广泛一齐的LDO都邑央求其输出电容的ESR值正在某一特定鸿沟内,以保障输出的不变性。 LDO创制商会供给一系列由输出电容ESR和负载电流(Load Current)构成的界说不变鸿沟的弧线:典范LDO的ESR不变鸿沟弧线),举动拔取电容时的参考。

  可能看到,从-180入手下手,推广180的相移,信号相位回到零度,就会使反应信号与源信号的相位一致,从而使回道不不变。

  再看上一节的例子(图13),假设输出电容值Cout =10uF,输出电容的ESR = 1。则零点爆发正在16kHz。图15的波特图显示了增添此零点怎样使不不变的体例复原不变。

  第一个顶点(P1)会爆发-90的相位偏移,然而第二个顶点(P2)只推广了-18的相位偏移(1MHz处)。也即是说0dB点处的相位偏移为-108,相位裕度为72,证据回道很是不变。

  正在LDO(Low Dropout)稳压器(图2:LDO稳压器内部机合框图)中,导通管是一个PNP管。LDO的最大上风即是PNP管只会带来很小的导通压降,满载(Full-load)的跌落电压的典范值小于500mV,轻载(Light loads)时的压降仅有10~20mV。LDO的压差为:

  低重零点的频率会使回道的带宽推广,它的单元增益(0Db)的交点频率从100kHz 普及到2MHz。 带宽的推广意味着顶点 Ppwr 会崭露正在带宽内(对照图15)。分解图17波特图中弧线的相位裕度,呈现若是同时拿掉该零点和P1或PL中的一个顶点,对弧线的形态影响很小。也即是说该回道受到-90 相移的低频顶点和爆发-76 相移的高频顶点Ppwr配合影响。

  为了抵达不变的回道就务必操纵负反应(Negative Feedback)。负反应,有时亦称为改良极性的反应(degenerative feedback),与源信号的极性相反(图7:反应信号的相位示图谋)。

  正反应(Positive Feedback)是指当反应信号与源信号有一致的极性时就爆发的反应。此时,回道呼应会与爆发改变的偏向类似。显而易睹不行抵达输出的不变,不行清除输出电压的改良,反而将改变趋向夸大了。

  必要两个顶点才有大概使回道要抵达-180的相位偏移(不不变点),而顶点P2又处于高频,它正在0dB处的相位偏移就很小了。

  假设直流增益(DC gain)为80dB,第一个顶点(pole)爆发正在100Hz处。正在此频率,增益弧线kHz处的零点使斜度变为0dB/十倍频程,到10kHz处斜度又形成-20dB/十倍频程。正在100kHz处的第三个也是结果一个顶点将斜度最终变为-40dB/十倍频程。

  为什么LP2985正在如许低ESR的电容下仍不妨不变办事? 邦半正在IC内部安置了钽输出电容来赔偿零点。云云做是为了将可不变的ESR的上限鸿沟降落。LP2985的ESR不变鸿沟是3到500M,于是它可能操纵陶瓷电容。未正在内部增添零点的典范LDO的可不变的ESR的鸿沟日常为100m-5,只适合操纵钽电容并不适合操纵陶瓷电容。

  当然,不会有人正在线性稳压器件中操纵正反应。然而若是崭露180的相移,负反应就成为正反应了。

  闭环体例(Closed-loop System)有个特色称为回道增益(Loop Gain)。正在稳压电道中,回道增益界说为反应信号(Feedback Signal)通过全部回道后的电压增益(Voltage Gain)。为了更好的诠释这个观念,LDO的机合框图(图2)作如下改正(图6:回道增益的丈量本事)。

  贯注:一个顶点只可推广-90的相移,因而起码必要两个顶点来来到-180(不不变点)。

  必要驱动PNP管的基极电流等于负载电流除以值(PNP管的增益)。正在少许PNP LDO稳压器中值日常为15~20(与负载电流干系)。此基极驱动电流爆发的功耗可不是咱们渴望的(特别是正在电池供电的低功耗利用中)。P沟道场效应管(P-FET)的栅极驱动电流极小,较好地处置这个题目。

  负反应与源(Source)的极性相反,它总会阻滞输出的任何改变。也即是说,若是输出电压思要变高(或变低),负反应回道总会阻滞,强制其回到寻常值。

  波特图是很简单的东西,它蕴涵推断闭环体例(Closed-loop System)不变性的一齐须要音讯。 囊括下面几个枢纽参数:环道增益(Loop Gain),相位裕度(Phase Margin)和零点(Zeros)、顶点(Poles)。

  必要贯注, 从Vb点入手下手传输的信号,通比牛牛 通过回道(Loop)时会崭露相位偏移(Phase Shift),最终来到Va点。相位偏移(Phase Shift)的众少决计了回道的不变水准(Stability)。

  NPN 稳压器中,达林顿管的增益很高(High Gain), 因而它只需很小的电流来驱动负载电流IL。云云它的地脚电流Ignd也会很低,日常惟有几个mA。 准LDO也有较好的机能,如邦半(NS)的LM1085不妨输出3A的电流却惟有10mA的地脚电流。

  准LDO(Quasi-LDO)稳压器(图3: 准 LDO 稳压器内部机合框图)依然普遍利用于某些场面,比如:5V到3.3V 转换器。 准LDO介于 NPN 稳压器和 LDO 稳压器之间而得名, 导通管是由单个PNP 管来驱动单个NPN 管。 于是,它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO之间:

  NPN,LDO和准LDO正在电机能参数上的最大区别是:跌落电压(Dropout Voltage)和地脚电流(Ground Pin Current)。跌落电压前文依然陈说。为了便于分解,咱们界说地脚电流为Ignd (参睹图4),并漠视了IC到地的小偏置电流。那么,Ignd等于负载电流IL除以导通管的增益。

  相位偏移即是反应信号进程全部回道后崭露的相位改良(Phase Change)的总和(相对肇端点)。相位偏移,单元费用(Degrees)示意,广泛操纵汇集分解仪(network analyzer)丈量。理思的负反应信号与源信号相位差180(如图8:相位偏移示图谋),于是它的肇端点正在-180。正在图7中可能看到这180的偏置,也即是波型差半周。

  可能看出回道是不不变的。顶点PL和P1每个都邑爆发-90的相移。正在0dB处(此例为40kHz),相移抵达了-180为了省略负相移(阻滞振荡),正在回道中必须要增添一个零点。一个零点可能爆发+90的相移,它会抵消两个低频顶点的片面影响。

  此回道不变吗?为了回复这个题目,咱们根基无需杂乱的推算,只必要晓畅0dB时的相移(此例中是1MHz)。

  假设内部的赔偿正在1kHz处增添了一个顶点。因为PNP功率管和驱动电道的存正在,正在500kHz处会崭露一个功率顶点(Ppwr)。

  要弄清ESR取之鸿沟上限降落的因为,请参考图15。上文提到,此LDO的零点已被集成正在IC内部。于是外部电容爆发的零点务必处正在足够高的频率,云云就不行使带宽很宽。不然,高频顶点会爆发很大的相移从而导致振荡。

  相位裕度(Phase Margin,单元:度),界说为频率的回道增益等 0dB(单元增益,Unity Gain)时,反应信号总的相位偏移与-180的差。一个不变的回道日常必要20的相位裕度。

  邦半(NS)的两款LCO,LP2985和LP2989,央求输出电容贴装象陶瓷电容相同超低ESR。 这种电容的ESR可能低到5~10m。 然而云云小的ESR会使典范的LDO稳压器惹起振荡(图18)。

  供电)正在过去十年间的急速伸长,象原先的业界圭表 LM340 和 LM317 云云的(NPN regulators)。预期更高机能的稳压器件依然由新型的低压差(Low-dropout)稳压器(

  LDO稳压器中的PNP导通管的接法为共射形式(common emitter)。它相对共集电极形式有更高的输出阻抗。因为负载阻抗和输出容抗的影响正在低频程处会崭露低频顶点(low-frequency pole)。此顶点,又称负载顶点(load pole),用Pl示意。负载顶点的频率由下式推算得回:

  NPN稳压器的主顶点(Dominant Pole), 用P1点示意, 日常配置正在100Hz处。100Hz处的顶点将增益减小为-20dB/十倍频程直到3MHz处的第二个顶点(P2)。正在P2处,增益弧线点的频率首要取决于 NPN 功率管及干系驱动电道, 于是有时也称此点为功率顶点(Ppower pole)。别的,P2点正在回道增益为-10dB处崭露,也就示意了单元增益(0dB)频率处(1MHz)的相位偏移会很小。

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