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干貨 | 資深工程師帶你深入理解LDO

發(fā)布時(shí)間:2018-08-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài),我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類:線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。此外,還有一種使用穩(wěn)壓管的小電源。這里說的線性穩(wěn)壓電源,是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。而在開關(guān)電源中則不一樣,開關(guān)管是工作在開、關(guān)兩種狀態(tài)下的。
 
根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài),我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類:線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源。此外,還有一種使用穩(wěn)壓管的小電源。這里說的線性穩(wěn)壓電源,是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。而在開關(guān)電源中則不一樣,開關(guān)管是工作在開、關(guān)兩種狀態(tài)下的。
 
簡單介紹下分類:
NPN穩(wěn)壓管:內(nèi)部用一個(gè)PNP管控制達(dá)林頓調(diào)整管。
LDO穩(wěn)壓管:調(diào)整管是一個(gè)PNP管。
Squasi-LDO:調(diào)整管是由一個(gè)PNP管控制一個(gè)NPN管。
   
LDO(low drop output)低壓差線性穩(wěn)壓
LDO的工作原理是通過反饋調(diào)整MOSFET的Vsd壓降以使輸出電壓不變。輸出電壓紋波小,電流也較小,用于RF模塊或音頻模塊等對電壓要求高的電路。特點(diǎn)是成本低噪音小。缺點(diǎn)是效率低,輸出電流小,只能用在降壓的場合。必須要注意,為了達(dá)到穩(wěn)定的回路就必須使用負(fù)反饋。
 
下面是LDO S-1167 Series的基本原理圖。
   
 
該電路主要是由串聯(lián)調(diào)整管、取樣電阻、比較放大器組成。取樣電壓加在比較放大器的同相輸入端,與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Uref相比較,兩者的差值經(jīng)放大器A放大后,控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降,從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí),基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加,比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流增加,串聯(lián)調(diào)整管壓降減小,從而使輸出電壓升高。相反,若輸出電壓Uout超過所需要的設(shè)定值,比較放大器輸出的前驅(qū)動(dòng)電流減小,從而使輸出電壓降低。供電過程中,輸出電壓校正連續(xù)進(jìn)行,調(diào)整時(shí)間只受比較放大器和串聯(lián)調(diào)整管回路反應(yīng)速度的限制。環(huán)路內(nèi)的負(fù)反饋總是強(qiáng)制比較放大器調(diào)節(jié)輸入兩端的電壓使其相等。
 
LDO的效率不高,下表是3.3v的LDO量得的數(shù)據(jù)。
   
 
在diag下效率為67.86%,在OS下效率為66.62%。輸入輸出電流基本相等,是因?yàn)檩斎腚娏鞯捷敵鲭娏?,?jīng)過PNP調(diào)整管,只在柵極消耗了一點(diǎn)。以S1167B33-I6T2G為例測得的輸入輸出曲線如下圖:
   
 
輸入端大于3.3V時(shí),一直有恒定的3.3V輸出,大于2.8V小于3.3V時(shí),輸入等于輸出,小于2.8V時(shí),系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。把輸出端對地短路,并未出現(xiàn)大電流(0.02mA)。6.5V是spec中定義的,由于怕?lián)p傷器件,輸入并未超過6.5V測量。
 
穩(wěn)壓管的另一個(gè)重要的指標(biāo)就是穩(wěn)定性,在我們的設(shè)計(jì)線路中常??吹皆谄漭敵龆藭写蟠笮⌒〉碾娙荩渥饔檬鞘裁茨??下面具體分析穩(wěn)壓管的反饋及回路穩(wěn)定性。
 
前面提到過三中穩(wěn)壓管:
1.NPN穩(wěn)壓管
   

例如:LM340 LM317 比較老的3端穩(wěn)壓管
 
2.LDO穩(wěn)壓管
 

例如:S-1167 Series
   
3.準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器
 
 
三種穩(wěn)壓器的最大區(qū)別在于壓降和接地引腳電流。很明顯NPN和準(zhǔn)LDO的穩(wěn)壓管在調(diào)整管上稍微復(fù)雜點(diǎn),所以壓降也大些。達(dá)林管的增益很高,所以只需要很小的電流就可以驅(qū)動(dòng),準(zhǔn)LDO也是這樣,IGND很小。PNP管的放大系數(shù)一般是15-20,LDO的IGND電流能達(dá)到負(fù)載電流的7%。 NPN穩(wěn)壓管的最大好處就是無條件的穩(wěn)定(大多數(shù)不需要加外接電容),LDO則需要在輸出端加上電容,以減少回路帶寬及提供些正的相位補(bǔ)償。
 
所有的穩(wěn)壓器都使用負(fù)反饋回路以保持輸出電壓的穩(wěn)定。但反饋信號在通過回路后都有一定的增益和相位變化。如果反饋信號相位有180度變化,負(fù)反饋就會變成正反饋,造成輸出不穩(wěn)定。因此反饋信號經(jīng)過整個(gè)回路的相位偏移,需要有至少20度的相位裕度,這樣才能保證電路的穩(wěn)定。(相位裕度定義為回路總的相位偏移與-180度的差)
   
環(huán)路的不穩(wěn)定來自于相位移量,我們可以在反饋回路中通過變壓器注入正弦小信號,如下圖所示,Loop Gain=Va/Vb,從Vb傳入交流小信號,同過回路產(chǎn)生相移到達(dá)Va。這樣可以計(jì)算回路增益,相位的偏移量。(此處以LDO分析)
   
 
可以通過網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量回路增益,它通過向網(wǎng)絡(luò)回路注入低電平的正弦波,然后從直流信號掃描到使增益下降到0dB的頻率來測量增益的響應(yīng)。
 
下面以一幅波特圖具體分析反饋回路的增益及相位變化情況。
  
 
概念: 
極點(diǎn) 增益曲線出現(xiàn)-20dB/10倍頻變化的點(diǎn)
零點(diǎn) 在增益與相位上的效果與極點(diǎn)相反。
極點(diǎn)相移=-arctan(f/fp)
零點(diǎn)相移=arctan(f/fz)
   
假設(shè)直流增益為80dB(10-100Hz處的增益),100到1KHz增益減少了20dB,10K-100KHz增益減少20dB,100K-1MHz增益減少40dB(斜率有-20dB/10倍頻的變化)。圖中可以看出有3個(gè)POLE,一個(gè)ZERO。1MHz處的增益是0dB,說明1MHz的小信號在此截止,此回路的帶寬就是1MHz。
 
從這個(gè)波特圖能看出這個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定么?前面說了系統(tǒng)是否穩(wěn)定主要看相位移量,而我們只要看在0dB時(shí)的相移就可以了(圖中是1MHz)。
 
上圖中有3個(gè)極點(diǎn)和1個(gè)零點(diǎn),前兩個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生-180度相移,零點(diǎn)產(chǎn)生90度相移,最后一個(gè)極點(diǎn)在40dB到0dB處,斜率為-40dB/10倍頻。根據(jù)極點(diǎn)相移公式-arctan(f/fp)=-arctan(10)=-1.47,換算成角度為-84.3度。所以總的相移為-180+90-84.3=174.2度。前面說到相位裕度等于|-180+174.2|=5.8<20.所以此回路不穩(wěn)定。
 
看似上面的分析比較復(fù)雜,其實(shí)是自動(dòng)控制理論里面的傳輸函數(shù)和根跡圖的概念.簡單的說,一個(gè)(線形)系統(tǒng)是否穩(wěn)定(不會產(chǎn)生振蕩)取決于它的傳輸函數(shù)的極點(diǎn)分布.(極點(diǎn)的實(shí)部必須小于零),而且極點(diǎn)實(shí)部負(fù)數(shù)的絕對值越大,系統(tǒng)越穩(wěn)定.我們就可以通過增加極點(diǎn)或是零點(diǎn)來調(diào)節(jié)相位裕度,從而使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。
 
調(diào)節(jié)LDO系統(tǒng)的穩(wěn)定性,最常見的補(bǔ)償方法是在系統(tǒng)中插入零點(diǎn)來取消相移和極點(diǎn)。由于 LDO 已經(jīng)就正常運(yùn)行要求了一個(gè)輸出電容器,因此使用輸出電容器的ESR通常就是最簡單也最廉價(jià)的生成零點(diǎn)的方法。等效串聯(lián)電阻(ESR)是每個(gè)電容都具有的幾個(gè)基本特性??梢钥礊殡娮韬碗娙莸拇?lián)等效電路。
   
輸出電容的ESR在回路增益中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn),用來減少過量的負(fù)相移。增加系統(tǒng)的帶寬,使更穩(wěn)定。零點(diǎn)處的頻值:
Fzero = 1/(2πxCoutxESR)
假設(shè)一個(gè)LDO系統(tǒng)在0dB時(shí)的截止頻率是30kHz。在其輸出端增加輸出電容為10uF,輸出電容的ESR=1ohm。則在16kHz處產(chǎn)生零點(diǎn)。
 
 
一般的LDO會由負(fù)載阻抗、輸出容抗等自身產(chǎn)生一些極點(diǎn)。圖中有3個(gè)極點(diǎn)(具體由來就不做分析,可由網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描出),但有1個(gè)Ppwr在0dB之后的頻段,也就是帶寬之外,可以不考慮。從上面兩幅波特圖的對比看出,第二張圖增益曲線,當(dāng)增加了輸出電容后,從80dB到0dB變得更平緩些。系統(tǒng)的帶寬大概從40KHz增加到100KHz左右。相位裕度也相應(yīng)的增加(此例就不仔細(xì)計(jì)算了)。
 
那么系統(tǒng)對ESR又有什么要求呢?比如此例中設(shè)ESR=20ohm,則零點(diǎn)頻率會降低到Fzero=800Hz,使系統(tǒng)的帶寬增加到2MHz,從整個(gè)的波特圖我們發(fā)現(xiàn)在100K到2MHz之間又多了一個(gè)極點(diǎn)Ppwr。這就意味著系統(tǒng)又有了-90度的相移,零點(diǎn)就失去了其意義。那么ESR是不是越小越好呢?設(shè)ESR=50mohm。零點(diǎn)頻率會降到320kHz。不用看就知道,系統(tǒng)地穩(wěn)定性基本沒改變,因?yàn)橄到y(tǒng)的帶寬就是40KHz,增加的零點(diǎn)頻率為320KHz已經(jīng)超出了帶寬。
   
為了補(bǔ)償LDO穩(wěn)壓器的。所以選擇的電容ESR要求要嚴(yán)格,首先要符合系統(tǒng)的回路頻率特性,同時(shí)也要有較好的溫度特性,不能隨溫度變化而變化過大。頻率響應(yīng)也是重要的指標(biāo)。這點(diǎn)鉭電容是比較好的選擇。(ESR是指在一定溫度下的某個(gè)頻率下的最大阻值,廠商一般定義為25攝氏度100KHz)
 

 
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