LDO的工作原理详细分析

2012-12-12 18:03:04来源: 互联网
随着便携式设备(电池供电)在过去十年间的快速增长,象原来的业界标准 LM340 和 LM317 这样的稳压器件已经无法满足新的需要。这些稳压器使用NPN 达林顿管,在本文中称其为NPN 稳压器(NPN regulators)。预期更高性能的稳压器件已经由新型的低压差(Low-dropout)稳压器(LDO)和准LDO稳压器(quasi-LDO)实现了。

  NPN 稳压器(NPN regulators)

  在NPN稳压器(图1:NPN稳压器内部结构框图)的内部使用一个 PNP管来驱动 NPN 达林顿管(NPN Darlington pass transistor),输入输出之间存在至少1.5V~2.5V的压差(dropout voltage)。这个压差为:

  Vdrop = 2Vbe +Vsat(NPN 稳压器) (1)

图1

  LDO 稳压器(LDO regulators)

  在LDO(Low Dropout)稳压器(图2:LDO稳压器内部结构框图)中,导通管是一个PNP管。LDO的最大优势就是PNP管只会带来很小的导通压降,满载(Full-load)的跌落电压的典型值小于500mV,轻载(Light loads)时的压降仅有10~20mV。LDO的压差为:

  Vdrop = Vsat (LDO 稳压器) (2)

图2

  准LDO 稳压器(Quasi-LDO regulators)

  准LDO(Quasi-LDO)稳压器(图3: 准 LDO 稳压器内部结构框图)已经广泛应用于某些场合,例如: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。 因此,它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO之间:

  Vdrop = Vbe +Vsat (3)

图3

  稳压器的工作原理(Regulator Operation)

  所有的稳压器,都利用了相同的技术实现输出电压的稳定(图4:稳压器工作原理图)。输出电压通过连接到误差放大器(Error Amplifier)反相输入端(Inverting Input)的分压电阻(Resistive Divider)采样(Sampled),误差放大器的同相输入端(Non-inverting Input)连接到一个参考电压Vref。 参考电压由IC内部的带隙参考源(Bandgap Reference)产生。 误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。为此,它提供负载电流以保证输出电压稳定:

  Vout = Vref(1 + R1 / R2) (4)

图4

  性能比较(Performance Comparison)

  NPN,LDO和准LDO在电性能参数上的最大区别是:跌落电压(Dropout Voltage)和地脚电流(Ground Pin Current)。跌落电压前文已经论述。为了便于分析,我们定义地脚电流为Ignd (参见图4),并忽略了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。

  NPN 稳压器中,达林顿管的增益很高(High Gain),所以它只需很小的电流来驱动负载电流IL。这样它的地脚电流Ignd也会很低,一般只有几个mA。 准LDO也有较好的性能,如国半(NS)的LM1085能够输出3A的电流却只有10mA的地脚电流。

  然而,LDO的地脚电流会比较高。在满载时,PNP管的β值一般是15~20。也就是说LDO的地脚电流一般达到负载电流的7%。

  NPN稳压器的最大好处就是无条件的稳定,大多数器件不需额外的外部电容。 LDO在输出端最少需要一个外部电容以减少回路带宽(Loop Bandwidth)及提供一些正相位转移(Positive Phase Shift)补偿。 准LDO一般也需要有输出电容,但容值要小于LDO的并且电容的ESR局限也要少些。

  反馈及回路稳定性(Feedback and Loop Stability)

  所有稳压器都使用反馈回路(Feedback Loop)以保持输出电压的稳定。反馈信号在通过回路后都会在增益和相位上有所改变,通过在单位增益(Unity Gain,0dB)频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。

  波特图(Bode Plots)

  波特图(Bode Plots)可用来确认回路的稳定性,回路的增益(Loop Gain,单位:dB)是频率(Frequency)的函数(图5:典型的波特图)。 回路增益及其相关内容在下节介绍。 回路增益可以用网络分析仪(Network Analyzer)测量。 网络分析仪向反馈回路(Feedback Path)注入低电平的正弦波(Sine Wave),随着直流电压(DC)的不断升高, 这些正弦波信号完成扫频,直到增益下降到0dB。然后测量增益的响应(Gain Response)。

图5

  波特图是很方便的工具,它包含判断闭环系统(Closed-loop System)稳定性的所有必要信息。 包括下面几个关键参数:环路增益(Loop Gain),相位裕度(Phase Margin)和零点(Zeros)、极点(Poles)。
回路增益(LOOP GAIN)

  闭环系统(Closed-loop System)有个特性称为回路增益(Loop Gain)。在稳压电路中,回路增益定义为反馈信号(Feedback Signal)通过整个回路后的电压增益(Voltage Gain)。为了更好的解释这个概念,LDO的结构框图(图2)作如下修改(图6:回路增益的测量方法)。

图6

  变压器(Transformer)用来将交流信号(AC Signal)注入(Inject)到“A”、“‘B”点间的反馈回路。借助这个变压器,用小信号正弦波(Small-signal Sine Wave)来“调制”(modulate)反馈信号。可以测量出A、B两点间的交流电压(AC Voltage),然后计算回路增益。回路增益定义为两点电压的比(Ratio): Loop Gain = Va / Vb (5)

  需要注意, 从Vb点开始传输的信号, 通过回路(Loop)时会出现相位偏移(Phase Shift),最终到达Va点。相位偏移(Phase Shift)的多少决定了回路的稳定程度(Stability)。

  反馈(FEEDBACK)

  如前所述,所有的稳压器都采用反馈( Feedback)以使输出电压稳定。输出电压是通过电阻分压器进行采样的(图6),并且该分压信号反馈到误差放大器的一个输入端,误差放大器的另一个输入端接参考电压,误差放大器将会调整输出到导通管(Pass Transistor)的输出电流以保持直流电压(DC Valtage)的稳定输出。

  为了达到稳定的回路就必须使用负反馈(Negative Feedback)。负反馈,有时亦称为改变极性的反馈(degenerative feedback),与源信号的极性相反(图7:反馈信号的相位示意图)。

图7

  负反馈与源(Source)的极性相反,它总会阻止输出的任何变化。也就是说,如果输出电压想要变高(或变低),负反馈回路总会阻止,强制其回到正常值。

  正反馈(Positive Feedback)是指当反馈信号与源信号有相同的极性时就发生的反馈。此时,回路响应会与发生变化的方向一致。显而易见不能达到输出的稳定,不能消除输出电压的改变,反而将变化趋势扩大了。

  当然,不会有人在线性稳压器件中使用正反馈。但是如果出现180°的相移,负反馈就成为正反馈了。

  相位偏移(PHASE SHIFT)

  相位偏移就是反馈信号经过整个回路后出现的相位改变(Phase Change)的总和(相对起始点)。相位偏移,单位用度(Degrees)表示,通常使用网络分析仪(network analyzer)测量。理想的负反馈信号与源信号相位差180°(如图8:相位偏移示意图),因此它的起始点在-180°。在图7中可以看到这180°的偏置,也就是波型差半周。

图8

  可以看到,从-180°开始,增加180°的相移,信号相位回到零度,就会使反馈信号与源信号的相位相同,从而使回路不稳定。

  相位裕度(PHASE MARGIN)

  相位裕度(Phase Margin,单位:度),定义为频率的回路增益等 0dB(单位增益,Unity Gain)时,反馈信号总的相位偏移与-180°的差。一个稳定的回路一般需要20°的相位裕度。

  相位偏移和相位裕度可以通过波特图中的零、极点计算获得。

  极点(POLES)

  极点(Pole)定义为增益曲线(Gain curve)中斜度(Slope)为-20dB/十倍频程的点(图9:波特图中的极点)。每添加一个极点,斜度增加20dB/十倍频程。增加n个极点,n ×(-20dB/十倍频程)。每个极点表示的相位偏移都与频率相关,相移从0到-90°(增加极点就增加相移)。最重要的一点是几乎所有由极点(或零点)引起的相移都是在十倍频程范围内。

  注意:一个极点只能增加-90°的相移,所以最少需要两个极点来到达-180°(不稳定点)。

图9

  零点(ZEROS)

  零点(Zero)定义为在增益曲线中斜度为+20dB/十倍频程的点(如图10:波特图中的零点)。零点产生的相移为0到+90°,在曲线上有+45°角的转变。必须清楚零点就是“反极点”(Anti-pole),它在增益和相位上的效果与极点恰恰相反。这也就是为什么要在LDO稳压器的回路中添加零点的原因,零点可以抵消极点。

图10

关键字:LDO  工作原理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1212/article_17797.html
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