线性稳压器件：工作原理及补偿

National semiconductor AN 1148 pdf 翻译 ENDChina frm 介绍介绍 随着电池供电设备在过去十年间的快速增长像原来的业介标准的 LM340 或 LM317 这样的稳压器件已经不能满足需要 由于这些稳压器使用 NPN 达林顿 管 图 1 因此在本文中称其为 NPN 稳压器 预期的更高性能已经由新型的 低压差 Low dropout 稳压器 LDO 和准 LDO 稳压器 quasi LDO 实现 了 NPNNPN 稳压器稳压器 在 NPN 稳压器的内部使用一个 PNP 管来驱动 NPN 达林顿 因此器件的输 入输出之间会有 1 5V 到 2 5V 的压差 这个压差 dropout voltage 为 Vdrop 2VBE VSAT NPN 稳压器 LDOLDO 稳压器稳压器 在 LDO 稳压器中 导通管是一个 PNP 管 图 2 LDO 的最大优势就是 PNP 管只会带来很小的导通压降 Vdrop Vsat LDO 稳压器 满载的跌落压降一般小于 500mV 轻载时的压降只有 10 到 20mV 准准 LDOLDO 稳压器稳压器 这种稳压器在一些应用中被广泛的采用 例如 5V 变 3 3V 图 3 准 LDO 因为它介于 NPN 稳压器和 LDO 之间因此得名 它的导通管是由单个 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 稳压器工作原理稳压器工作原理 所有这些类型的稳压器将输出电源固定都利用了相同的技术 图 4 输出电压通过反馈到误差放大器输入端的分压电阻采样 误差放大器的正端 连接到一个参考电压 这个参考电压是由内部的带隙参考源产生的 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 性能比较性能比较 NPN LDO 和准 LDO 在参数上的最大不同就是 跌落电压 dropout voltage 和地脚电流 ground pin current 为了便于分析 我们 定义地脚电流为 Ignd 如图 4 表示 并忽略了 IC 漏到地上的偏执电流 可以 很清楚的知道 Ignd 等于负载电流 IL 除以导通管的增益 在 NPN 稳压器中由于达林顿管的增益很高 所以它只需很小的电流来驱动 负载电流 因此它的地脚电流也很低 一般只有几个 mA 准 LDO 也有较好 的性能 就像国半的 LM1085 可以输出 3A 的电路却只有 10mA 的地电流 LDO 的地脚电流一般会较高 在满载时 PNP 管的 值一般也就 15 20 也就 是说 LDO 的地脚电流一般为负载电流的 7 NPN 稳压器的最大好处就是无条件的稳定 不需外部电容 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 准 LDO 一般也需要一些输出容性 但是要小 于 LDO 并且电容的特性局限也要少些 反馈及回路稳定性反馈及回路稳定性 所有的电压稳压器都使用反馈回路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 并且在单位增益 0dB 频率下的相位 偏移总量可以确定回路的稳定性 波特图 为了了解稳定性需要使用波特图 Bode Plots 它将回路的增益 dB 表示 为频率的函数 图 5 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 它向反馈回路发射 低电平的正弦波 这些正弦波的频率由直流不断升高 直到增益下降到 0dB 波特图是很方便的工具因为它包含判断闭环系统稳定性的所有必要信息 然 而 为了从波特图中获得必要的信息还需要了解几个关键点 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 每个闭环系统都有个特性叫做回路增益 在稳压器的分析中 回路增益定义 为反馈信号通过整个回路后的电压增益 为了更好的解释这个概念 LDO 的框 图 如图 2 修改如下 变压器用来将 AC 信号发射到 A B 点间的反馈回路 应用这个变压器 小信号正弦波可以用来量化 modulate 反馈信号 AC 信 号在 A B 点间被测量并用来计算回路增益 回路增益定义为两点电压的比 Loop Gain Va Vb 特别需要注意的是 从 Vb 点开始的信号通过回路时会出现相位偏移 最 终到达 Va 点 相位偏移的多少决定了回路的稳定性 反馈 FEEDBACK 所有的稳压器都用到了反馈以使输出电压稳定 输出电压是通过电阻分压器 进行采样的 如图 6 并且该分压信号反馈到误差放大器的一个输出端 因 为误差放大器的另一个输出端连接到一参考电压源上 误差放大器将会调整输 出到导通管的输出电流以保持 DC 电压的稳定输出 必须要注意 为了达到稳定的回路就必须使用负反馈 negative feedback 负反馈 有时称为 degenerative feedback 就与源信号的极性相反 如图 7 由于与源的极性相反 负反馈总会阻止任何的输出变化 也就是说 如果 输出电压想要变高 或变低 回路总会阻止其到正常值 正反馈 Positive Feedback 当反馈信号与源信号有相同的极性时就会发生正 反馈 此时 回路响应会与发生变化的方向一致 这样明显不能达到稳定 因 为不能消除输出电压的改变 反而将变化趋势扩大了 很明显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转变的总和 相对起始点 相移 用度表示 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 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 就会使信号相位回到零度 这也就使反馈信号与源信号相位相同了 并使回路不稳定 相位裕度 PHASE MARGIN 相位裕度定义为在回路增益等于 0dB 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 如图 9 就是增益曲线中斜度为 20dB 十倍频程的点 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是频率相关的 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 如图 10 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 最重要知道的是零 点就是 反极点 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 它可以抵消极点的 效果 波特图分析 一个包含三个极点和一个零点的波特图 如图 11 将用来分析增益和相位裕度 假设直流增益为 80dB 第一个极点发生在 100Hz 处 在此频率时 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 处增益曲线又变成 20dB 十倍频程 在 100kHz 处的第三个也是最后一个极点将增益斜度最终变为 40dB 十倍频程 也可以从图中看到单位增益点 0dB 交点频率是 1MHz 0dB 频率通常称 为回路带宽 loop bandwidth 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 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 此回路稳定么 为了回答这个问题 我们只需要知道 0dB 时的相移 是 1MHz 根本无需复杂的计算 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 使用零点相移公 式 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 该回路可能引起振荡 NPNNPN 稳压器补偿稳压器补偿 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 也就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 dominant pole compensation 的技术 此时 在 IC 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 如图 12 NPN 稳压器的主极点 P1 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 因此有时称此点为功率 极点 power pole 因为 P2 点在回路增益为 10dB 处出现 也就表示了 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 非常稳定 应该提起注意的是 回路很显然是稳定的 因为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 P2 又分布在高频位置 它在 0dB 处的相位偏移就很小了 LDOLDO 稳压器的补偿稳压器的补偿 LDO 稳压器中的 PNP 导通管的接法为共射方式 common emitter 它相 对共集电极方式有更高的输出阻抗 由于负载阻抗和输出容抗的影响在低频程 处会出现低频极点 low frequency pole 此极点 称为负载极点 load pole 用 Pl 表示 的频率由下式获得 F Pl 1 2 Rload Cout 从此式可知 不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿 为了解释为什 么会这样 先假设一个 5V 50mA 的 LDO 稳压器有下面的条件 在最大负载电流时 负载极点 Pl 出现的频率为 Pl 1 2 Rload Cout 1 2 100 10 5 160Hz 假设内部的补偿在 1kHz 处添加了一个极点 由于 PNP 功率管和驱动电路的存 在 在 500kHz 处会出现一个功率极点 Ppwr 假设直流增益为 80dB Rl 100 在最大负载电流时的值 Cout 10uF 使用上面的条件可以画出相应的波特图 如图 13 马上就可以看出回路是不稳定的 极点 PL 和 P1 每个都会产生 90 的相移 在 0dB 处 此例为 40kHz 相移达到了 180 为了减少负相移 阻止振荡 在回路中必须要添加一个零点 一个零点可以产生 90 的相移 它会抵消两个 低频极点的部分影响 基本上所有的 LDO 稳压器都需要在回路中添加这个零点 该零点一般是通 过输出电容的一个特性 等效串联电阻 ESR 获得的 使用使用 ESRESR 补偿补偿 LDOLDO 等效串联电阻 ESR 是每个电容共有的特性 可以将电容表示为电阻与 电容的串联 如图 14 输出电容的 ESR 在回路增益中产生一个零点 可以用来减少负相移 零点 出现的频率值与 ESR 和输出电容值直接相关 Fzero 1 2 Cout ESR 使用上一节的例子 图 13 显示的波特图 我们假设输出电容值 Cout 10uF 而且输出电容的 ESR 1 则零点发生在 16kHz 图 15 显示了添加此零点如何使不稳定系统变为稳定系统 回路的带宽增加了所以 0dB 的交点频率从 30kHz 移到了 100kHz 到 100kHz 处该零点总共增加了 81 相移 也就是减少了 PL 和 P1 造成的负相移 因为极点 Ppwr 处在 500kHz 在 100kHz 处它仅增加了 11 的相移 累积 所有的零 极点 0dB 处的总相移现在为 110 也就是有 70 的相位裕度 系统非常稳定 这也就解释了具有正确 ESR 值的输出电容是可以产生零点来稳定 LDO 系统 的 ESRESR 和稳定性和稳定性 通常所有的 LDO 都会要求其输出电容的 ESR 在一定范围之内以保证稳压器 的稳定性 LDO 制造商会提高一系列由输出电容 ESR 和负载电流组成的定义 稳定范围的曲线 如图 16 所示 要解释为什么有这些范围存在 我们会使用前面提到的例子来说明 ESR 的 高低对相位裕度的影响 高 ESR 同样使用上一节提到的例子 我们将假设 10uF 输出电容的 ESR 增加为 20 这将使零点的频率降低到 800Hz 如图 17 降低零点的频率就会使回 路的带宽增加 使它的 0dB 的交点频率从 100kHz 变到 2MHz 带宽的增加意味着极点 Ppwr 会出现在带宽内 对比图 15 分析图 17 曲 线的相位裕度 可以发现如果同时拿掉该零点和 P1 或 PL 中的一个极点 对曲 线的形状影响很小 也就是说该回路由发生 90 相移的低频极点和发生 76 相移的高频极点 Ppwr 共同影响 尽管还有 14 的相位裕度 可能稳定 但很多测试数据显示 当 ESR 10 时由于其它的高频极点的分布 在此简单模型中未表示 很可能会 引入不稳定性 低 ESR 具有很低的 ESR 的输出电容由于一些不同的原因也会产生振荡 继续用 上一节的例子 我们把 10uF 输出电容的 ESR 降低到 50m 则零点的频率会 变到 320kHz 如图 18 不用计算也能知道系统是不稳定的 两个极点 P1 和 PL 在 0dB 处共产生了 180 的相移 因为本系统如果想稳定 则零点应该在 0dB 点之前提供正相移 然而 因为零点在 320kHz 处 已经在系统带宽之外了 所以没有起到补偿作 用 输出电容选择输出电容选择 因为输出电容是用来补偿 LDO 稳压器的 所以选择时必须仔细 基本上所 有的 LDO 应用中引起的振荡都是因为输出电容的 ESR 过高或过低 当选择 LDO 的输出电容时 钽电容通常是最好的选择 除了一些专门设计 使用陶瓷电容的 LDO 例如 LP2985 测试一个 AVX 的 4 7uF 的钽电容可 知它在 25 时 ESR 为 1 3 该值处在稳定范围的中心 如图 16 另一点非常重要 AVX 电容的 ESR 在 40 到 125 温度范围内的变化 小于 2 1 铝电解电容在低温时的 ESR 会变大很多 所以不适合作 LDO 的输 出电容 必须注意大的陶瓷电容 1uF 通常会用很低的 ESR 20m 这几乎 会使所有的 LDO 稳压器产生振荡 除了 LP2985 如果使用陶瓷电容就要串 联电阻以增加 ESR 大的陶瓷电容的温度特性很差 通常是 Z5U 的 也就 是说在工作范围内的温度的上升和下降会使容值成倍的变化 准准 LDOLDO 补偿补偿 在考虑准 LDO 稳压器 如图 3 的稳定性和补偿的问题时 我们会考虑到它 兼有 LDO 和 NPN 稳压器的特性 因为准 LDO 稳压器利用 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 然而 由于 NPN 的基极是由高阻抗 PNP 电流源驱动的 所以准 LDO 的输 出阻抗不会达到使用 NPN 达林顿管的 NPN 稳压器的输出阻抗那样低 但是 它比真正的 LDO 的输出阻抗要低 也就是说准 LDO 的功率极点的频率比 NPN 稳压器的低 因此准 LDO 也需 要一些补偿以达到稳定 当然了这个功率极点的频率要比 LDO 稳压器的频率高 很多 因此准 LDO 需要更小的电容而且对 ESR 的要求也不很苛刻 例如 准 LDO LM1085 可以输出高达 3A 的负载电流却只需 10uF 的钽输出 电容来确保稳定性 而且并未提供 ESR 图 因为在此 LDO 应用中对电容的 ESR 要求很宽松 要求低要求低 ESRESR 的的 LDOLDO 国半确实有像 LP2985 和 LP2989 这样要求输出电容使用像表明贴装陶瓷 电容一样具有超低 ESR 的电容 这种电容的 ESR 可以低到 5 10m 这样小 的 ESR 会使典型的 LDO 稳压器引起振荡