LDO稳压器动作原理

LDO稳压器工作原理随着便携式设备（电池供电）在过去十年间的快速增长，像原来的业界标准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（NPNregulators）。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。(原文：LinearRegulators:TheoryofOperationandCompensation)NPN稳压器（NPNregulators）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（NPNDarlingtonpasstransistor），输入输出之间存在至少1.5V～2.5V的压差（dropoutvoltage）。这个压差为：Vdrop＝2Vbe＋Vsat（NPN稳压器）（1）LDO稳压器（LDOregulators）在LDO(LowDropout)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（Lightloads）时的压降仅有10～20mV。LDO的压差为：Vdrop＝Vsat（LDO稳压器）（2）准LDO稳压器（Quasi-LDOregulators）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）稳压器的工作原理（RegulatorOperation）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（ErrorAmplifier）反相输入端（InvertingInput）的分压电阻（ResistiveDivider）采样（Sampled），误差放大器的同相输入端（Non-invertingInput）连接到一个参考电压Vref。参考电压由IC内部的带隙参考源(BandgapReference)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）性能比较(PerformanceComparison)NPN，LDO和准LDO在电性能参数上的最大区别是：跌落电压（DropoutVoltage）和地脚电流（GroundPinCurrent）。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（HighGain），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（LoopBandwidth）及提供一些正相位转移（PositivePhaseShift）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（FeedbackandLoopStability）所有稳压器都使用反馈回路（FeedbackLoop）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（UnityGain，0dB）频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。波特图（BodePlots）波特图(BodePlots)可用来确认回路的稳定性，回路的增益（LoopGain，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（NetworkAnalyzer）测量。网络分析仪向反馈回路(FeedbackPath)注入低电平的正弦波(SineWave)，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（GainResponse）。波特图是很方便的工具，它包含判断闭环系统（Closed-loopSystem）稳定性的所有必要信息。包括下面几个关键参数：环路增益（LoopGain），相位裕度（PhaseMargin）和零点（Zeros）、极点（Poles）。回路增益（LOOPGAIN）闭环系统（Closed-loopSystem）有个特性称为回路增益（LoopGain）。在稳压电路中，回路增益定义为反馈信号（FeedbackSignal）通过整个回路后的电压增益（VoltageGain）。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）。变压器（Transformer）用来将交流信号（ACSignal）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-signalSineWave）来“调制”（modulate）反馈信号。可以测量出A、B两点间的交流电压（ACVoltage），然后计算回路增益。回路增益定义为两点电压的比（Ratio）：LoopGain＝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（PhaseShift），最终到达Va点。相位偏移（PhaseShift）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（PassTransistor）的输出电流以保持直流电压（DCValtage）的稳定输出。为了达到稳定的回路就必须使用负反馈（NegativeFeedback）。负反馈，有时亦称为改变极性的反馈（degenerativefeedback），与源信号的极性相反（图7：反馈信号的相位示意图）。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（PositiveFeedback）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（PHASESHIFT）相位偏移就是反馈信号经过整个回路后出现的相位改变（PhaseChange）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（networkanalyzer）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。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（PHASEMARGIN）相位裕度（PhaseMargin，单位：度），定义为频率的回路增益等0dB（单位增益，UnityGain）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(Gaincurve)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）。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。波特图分析用包含三个极点和一个零点的波特图（图11：波特图）来分析增益和相位裕度。假设直流增益（DCgain）为80dB，第一个极点（pole）发生在100Hz处。在此频率，增益曲线的斜度变为－20dB/十倍频程。1kHz处的零点使斜度变为0dB/十倍频程，到10kHz处斜度又变成－20dB/十倍频程。在100kHz处的第三个也是最后一个极点将斜度最终变为－40dB/十倍频程。图11中可看到单位增益点（UnityGainCrossover，0dB）的交点频率(CrossoverFrequency)是1MHz。0dB频率有时也称为回路带宽（LoopBandwidth）。相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。为了产生这个图，就要根据分布的零点、极点计算相移的总和。在任意频率（f）上的极点相移，可以通过下式计算获得：极点相移＝-arctan(f/fp)（6）在任意频率（f）上的零点相移，可以通过下式计算获得：零点相移＝-arctan(f/fz)（7）此回路稳定吗？为了回答这个问题，我们根本无需复杂的计算，只需要知道0dB时的相移（此例中是1MHz）。前两个极点和第一个零点分布使相位从-180°变到+90°，最终导致网络相位转变到-90°。最后一个极点在十倍频程中出现了0dB点。代入零点相移公式，可以计算出该极点产生了－84°的相移（在1MHz时）。加上原来的-90°相移，全部的相移是-174°（也就是说相位裕度是6°）。由此得出结论，该回路不能保持稳定，可能会引起振荡。NPN稳压器补偿NPN稳压器的导通管（见图1）的连接方式是共集电极的方式。所有共集电极电路的一个重要特性就是低输出阻抗，意味着电源范围内的极点出现在回路增益曲线的高频部分。由于NPN稳压器没有固有的低频极点，所以它使用了一种称为主极点补偿（dominantpolecompensation）的技术。方法是，在稳压器的内部集成了一个电容，该电容在环路增益的低频端添加了一个极点（图12：NPN稳压器的波特图）。NPN稳压器的主极点（DominantPole），用P1点表示，一般设置在100Hz处。100Hz处的极点将增益减小为－20dB/十倍频程直到3MHz处的第二个极点（P2）。在P2处，增益曲线的斜率又增加了－20dB/十倍频程。P2点的频率主要取决于NPN功率管及相关驱动电路，因此有时也称此点为功率极点（Ppowerpole）。另外，P2点在回路增益为－10dB处出现，也就表示了单位增益（0dB）频率处（1MHz）的相位偏移会很小。为了确定稳定性，只需要计算0dB频率处的相位裕度。第一个极点（P1）会产生－90°的相位偏移，但是第二个极点（P2）只增加了－18°的相位偏移（1MHz处）。也就是说0dB点处的相位偏移为－108°，相位裕度为72°，表明回路非常稳定。需要两个极点才有可能使回路要达到－180°的相位偏移（不稳定点），而极点P2又处于高频，它