LDO工作原理详解PPT课件.ppt

1 LDO原理与应用 2 内容 电压调节器分类Chargepump inductorlessDC DC DC DC inductor 线性电源LDO原理介绍LDO参数具体实例 3 电压调节器分类 线性电源传统线性电源低压差线性电源 LDO 开关类电源Chargepump inductorlessDC DC DC DC inductor 4 Chargepump 电荷泵 原理 倍压电荷泵示意图 Vout 2xVin 5 工作过程1 对电容CFLY充电 工作过程2 倍压输出 倍压电荷泵 过程1等效电路 过程2等效电路 6 可调电压电荷泵 工作原理 通过反馈控制电容Cfly的充放电时间 实现调节输出电压的目的 7 DC DC inductor 原理框图 电子开关 整流滤波电路 比较电路 占空比控制电路 V O VO VREF R1 R2 VIN 8 StepDown Buck Converter StepUP Boost Converter StepUp StepDown Buck Boost Converter DC DC 9 线性电源 开关电源 优点外围器件少 PCB面积小 花费少无开关噪声 纹波小缺点降压输出效率低 功耗大 哪个更好 优点可升压 可降压效率高 功耗小缺点设计更复杂 外围器件多 花费也较高输出纹波大 线性电源 开关电源 10 线性稳压器原理框图 调整元件基准电压源误差放大器反馈网络 取样电路 11 用分立元件搭的LDO 调整元件 误差放大 基准电压 取样电路 12 工作原理 电路开始启动 恒流源电路给整个电路提供偏置 基准源电压快速建立输出随着输入不断上升 输出达到规定值误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大 再经调整管放大到输出 从而形成负反馈 保证了输出电压稳定输入电压变化或输出电流变化 这个闭环回路将使输出电压保持不变 VOUT R1 R2 R2 Vref 13 集成LDO结构图 实际电路比原理框图多了启动电路和保护电路 齐纳二极管或带隙基准源 达林顿管PNP管PMOSNMOS 过流保护热保护 一些复杂的LDO还会加过压保护 欠压保护 反接保护等 传统线性稳压器调整管 14 基准电压源 对输出电压影响最大稳定性好 低温漂 高精度 内阻小带隙基准电压源 利用硅能带与价带之间的禁带带隙能量作为基准 因为这个能量几乎是不变的 即通常所说的带隙基准电压源 稳定的基准电压源要求要有不随电压源电压变化的电流偏置电路 一般的偏置电路需要一个启动电路 15 带隙基准电压源 pn结二极管产生电压VBE 温度系数为 2 0mV 热电压VT KT q 温度系数为 0 085mV K 2 2 0 085 23 5 在理论实现零温度系数 由于该电压等于硅的带隙电压 外推到绝对温度 所以这类基准电路也叫 带隙 基准电路 注 实际上利用的不是带隙电压 有些Bandgap结构输出电压与带隙电压也不一致 16 带启动电路的自偏置 电路开始上电 由于上半部分镜像电流源处于零电流状态 节点1处于高电位 同样下半部分也处于零电流状态 节点3处于低电位 MP1导通 2节点电位被拉高 MN1导通 这样节点1被拉低 说明镜像电流源中的管子导通 有电流流过偏置 电路 电流持续上升 当到达工作点B时 节点3被拉高 将MP1关断 节点2电位下降 直到MN1关断 这样启动电路完全脱离偏置电路 偏置电路稳定的工作在工作点B处 17 带隙基准原理图 18 误差放大器 误差放大一般采用三级结构 与集成运放相似差分输入级提电路共模抑制比 并且输入电阻很大电压放大级进一步提高电路增益输出级一般除了提高电路增益外 最主要的作用是提高输出摆幅 最大可能的减小输出电阻偏置电路为电路的三部分提供合适的静态工作点偏置 19 调整管 NPN稳压器 NPNregulators 在NPN稳压器的内部使用一个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 20 调整管 准LDO稳压器 Quasi LDOregulators 另一种广泛应用于某些场合是准LDO 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 21 调整管 LDO稳压器 LDOregulators 在LDO LowDropout 稳压器中 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 满载的跌落电压的典型值小于500mV 轻载时的压降仅有10 20mV LDO的压差为 Vdrop Vsat 22 调整管 LDO稳压器 LDOregulators 由P沟道MOS管构成的PMOS超低压差线性稳压器 VLDO 其压差可降至100mV左右 由N沟道MOS管构成的NMOSVLDO 其压差压差可低至几十毫伏 Vdrop RDS ON IO 23 压降电压 24 5种结构比较 三极管电流驱动 MOS管电压驱动三极管静态损耗大 MOS管静态损耗很小双极性管子由于其电流增益比较大 可以为负载提供相当大的电流 MOS管提供的电流相对较小 25 NMOS的源端与负载并联使得输出端是一个低阻抗节点 LDO的输出阻抗比较小且受负载波动的影响弱 输出端上的极点处在高频区域 但为了导通NMOS管 G端至少比S端高一个阈值电压 一般情况0 7V 如果所要求的压降幅度比较小 那么不得不考虑另外设计升压电路电荷泵来提高NMOS的G端电位 电路因此会变复杂 PMOS的漏端与负载并联使得输出端是一个高阻抗节点 LDO的输出阻抗大且受负载电阻影响 输出端会给系统引入一个位于低频段的极点 为系统的稳定性带来影响 26 分立元件搭的LDO 27 LDO工作原理 调整元件 误差放大 基准电压 取样电路 4 24V 1 8V LDO VGS 2 46V 1 78V VDS 1 52V 1 8V LDO 为什么不直接使用运放 1 一般的运放输出电压比电源电源小2 3V 轨到轨运放输出电压可接近电源电压 2 运放带负载能力很弱 一般输出电流10几毫安 大的也就100mA左右 而且贵 加三极管或MOS起扩流作用 28 共漏放大 可以看成一个带负载能力很强 输出大电流 的运放 取样后接入负端形成负反馈 Vi Vo Vg Vs Vg Vo 取样后接入正端形成负反馈 29 调整管工作原理 VDS V ID mA 0 4 0 8 1 2 1 6 2 0 0 0 VGS 2 3V 2 4V 2 5V 2 6V 2 7V 2 8V 2 9V 3 0V P1 P2 P3 P4 P5 1 LDO正常工作在点P1 2 负载电阻降低 输出电流增大 输出电压Vo降低 VGS增大 VDS增大 工作点移动到P2 3 反馈电压降低 放大器输出 VG 增大 4 共源放大 0 AV 1 VS VO 增大 VGS增大 VDS减小 ID增大 工作点移到P3 5 VF与VREF之差趋于0 个系统恢复了平衡 30 31 LDO频率补偿 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 引入反馈的电路必须考虑回路稳定性问题 负反馈越深 也容易自激振荡 为了提高放大器在深度负反馈条件下的工作稳定性 一般采用的消振方法为频率补偿 相位补偿 32 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 33 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 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 在LDO稳压器的回路中添加零点可以抵消极点 34 LDO频率响应 35 LDO主要参数 压差静态电流待机电流瞬态响应线性调整率负载调整率电源抑制比精度功耗 36 压差 压差是LDO线性稳压器最重要的参数 它是指系统能够调节地 使输出稳定在期望输出的最小输入电压和输出电压值差 也就是说这个输入电压将是系统能够调整地最小输入电压 比这更小的电压 输入与输出将成线性关系下降 这一临界输入电压值去期望输出值所得的结果 就是 线性稳压器的压差电压 德州仪器 TI 电压差定义为输出电压较其标称值跌落2 的输入 输出电压的差值 其它的如 美信 Maxim 圣邦微电子 SGMC 电压差定义为输出电压较其标称值小于100mV时的输入 输出电压的差值 37 静态电流 静态电流定义为输入输出电流之差 它反映了LDO内部电路的功率消耗 静态电流主要由偏置电流 提供给误差放大器 基准电压源和采样电阻 与调整管的驱动电流组成 可以表示为IQ Iin Io 对于双级型晶体管 静态电流随着负载电流成比例的增加 因为双级型晶体管是电流驱动器件 对于MOS管 静态电流很小 几乎不随负载的变化而变化 几乎是一个恒定值 因为MOS管是电压驱动器件 PNPLDO的地脚电流会比较高 在满载时 PNP管的 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 达林管和准LDO的静态电流较小 在应用中如果对静态电流的消耗比较苛刻的话 最好是采用MOS管作为调整管的LDO 38 待机电流 待机电流是指带有使能信号的LDO 当该信号关闭的时候LDO消耗的电流 参考电压和误差放大器同样也处于不供电的状态 可以进一步减小功耗 39 瞬态响应 瞬态响应为负载电流突变时引起输出电压的最大变化 它是输出电容Co及其等效串联电阻ESR和旁路电容Cb的函数 其中Cb的作用是提高负载瞬态响应能力 也起到了为电路高频旁路的作用 为了获得更好的瞬态响应 LDO需要更宽的带宽 更大的输出容量 低ESR电容 当然要满足CSR要求 40 线性调整率 线性调整率定义了输入变化对输出的影响 即在负载一定的情况下 输出电压变化量和输入电压变化量之比 要减小线性调整率SL 可以提高误差运放的放大倍数和增大调整管的跨导 41 负载调整率 负载调整率SZ是指在输入电压不变的条件下 负载发生变化时对输出电压的影响 即输出变化量与负载电流变化量的比值 即有 和线性调整率一样 负载调整率SZ和误差放大器的放大倍数A及调整管的跨导有关 为了减小负载调整率可以提高这两个量的值 42 纹波抑制比 电源噪声抑制比也被叫做纹波抑制比 是衡量LDO对输入电压电源变动抑制的一种能力 与线性调整率不同的一点是 纹波抑制比需要考虑很宽的频率范围 控制环路往往是决定纹波抑制比的主要因素 大的输出电容 低ESR 追加旁路电容能够改善纹波抑制比 当然前提条件是能够满足ESRCSR的要求 43 精度 考虑到线性调整率 负载调整率 参考电压漂移 误差放大器电压漂移 外部取样电阻的精度 温度系数等综合参数的总体LDO影响 我们有了精度这个概念 对LDO输出电压变化影响最大的是温度 因为参考电压和误差放大器对温度的变化比较敏感 其次是电阻的精度 线性调整率 负载调整率 增益误差对精度的影响只有1 到3 44 功耗 大多数的LDO为了确保能够正常动作