LDO工作原理(详细)

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 NPNNPN 稳压器 稳压器 NPNNPN regulatorsregulators 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 LDOLDO 稳压器 稳压器 LDOLDO regulatorsregulators 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 准准 LDOLDO 稳压器 稳压器 Quasi LDOQuasi LDO regulatorsregulators 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 稳压器的工作原理 RegulatorRegulator OperationOperation 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 性能比较 PerformancePerformance ComparisonComparison 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 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 反馈及回路稳定性 FeedbackFeedback andand LoopLoop StabilityStability 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 波特图 BodeBode PlotsPlots 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 回路增益 LOOPLOOP GAINGAIN 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 反馈 FEEDBACKFEEDBACK 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 相位偏移 PHASEPHASE SHIFTSHIFT 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 相位裕度 PHASEPHASE MARGINMARGIN 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 极点 POLESPOLES 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 零点 ZEROSZEROS 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 波特图分析波特图分析 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 图 11 假设直流增益 DC gain 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 Unity Gain Crossover 0dB 的交点频率 Crossover Frequency 是 1MHz 0dB 频率有时也称为回路带宽 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 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 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 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 图 12 NPN 稳压器的主极点 Dominant Pole 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 Ppower pole 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 又称负载极点 load pole 用 Pl 表示 负载极点 的频率由下式计算获得 F Pl 1 2 Rload Cout 8 从此式可知 LDO 不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿 为什么 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 9 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 在最大输出电流时的负载阻值为 RL 100 输出电容为 Cout 10uF 使用上述条件可以画出相应的波特图 如图 13 未补偿的 LDO 增益波特图 图 13 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 因此 几乎所有的 LDO 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 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 是电容的一个基本特性 可以将电容表示为电阻与电容的串联等 效电路 图 14 电容器的等效电路图 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 零点处的频率值 Fzero 与 ESR 和输出电容值密切相关 Fzero 1 2 Cout ESR 10 再看上一节的例子 图 13 假设输出电容值 Cout 10uF 输出电容的 ESR 1 则零点发生在 16kHz 图 15 的波特图显示了添加此零点如何使不稳定的系统恢复稳 定 图 15 回路的带宽增加了 单位增益 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 Positive Phase Shift 也就是减少了极点 PL 和 P1 造成的负相移 Negative Phase Shift 极点 Ppwr 处在 500kHz 在 100kHz 处它仅增 加了 11 的相移 累加所有的零 极点 0dB 处的总相移为 110 也就是有 70 的 相位裕度 系统非常稳定 这就解释了选择合适 ESR 值的输出电容可以产生零点来稳定 LDO 系统 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 值在某一特定范围内 以保证输出的稳定 性 LDO 制造商会提供一系列由输出电容 ESR 和负载电流 Load Current 组成的定义稳 定范围的曲线 图 16 典型 LDO 的 ESR 稳定范围曲线 作为选择电容时的参考 图 16 要解释为什么有这些范围的存在 我们使用前面提到的例子来说明 ESR 的高低对相位 裕度的影响 高高 ESRESR 同样使用上一节提到的例子 我们假设 10uF 输出电容的 ESR 增加到 20 这将使零 点的频率降低到 800Hz 图 17 高 ESR 引起回路振荡的波特图 图 17 降低零点的频率会使回路的带宽增加 它的单位增益 0Db 的交点频率从 100kHz 提 高到 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 波特 图中曲线的相位裕度 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 也就是说该回路受到 90 相移的低频极点和发生 76 相移的高频极点 Ppwr 共同影响 尽管有 14 的相位裕度 系统可能会稳定 但很多经验测试数据显示 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 低低 ESRESR 选择具有很低的 ESR 的输出电容 由于一些不同的原因也会产生振荡 继续沿用上一 节的例子 假定 10uF 输出电容的 ESR 只有 50m 则零点的频率会变到 320kHz 图 18 低 ESR 引起回路振荡的波特图 图 18 不用计算就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 如果要系统稳定 则零点应该在 0dB 点之前补偿正相移 然而 零点在 320kHz 处 已经在 系统带宽之外了 所以无法起到补偿作用 输出电容的选择输出电容的选择 综上 输出电容是用来补偿 LDO 稳压器的 所以选择时必须谨慎 基本上所有的 LDO 应用中引起的振荡都是由于输出电容的 ESR 过高或过低 LDO 的输出电容 通常钽电容是最好的选择 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 钽电容可知它在 25 时 ESR 为 1 3 该值处在 稳定范围的中心 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 型 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 所以不推荐使用 准准 LDOLDO 补偿补偿 准 LDO 图 3 的稳定性和补偿 应考虑它兼有 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 当然它比真正的 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 的频率高很多 因此准 LDO 只需要很小的 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 的输出钽电容来维持 稳定性 准 LDO 制造商未必提供 ESR 范围的曲线图 所以准 LDO 对电容的 ESR 要求很宽松 低低 ESRESR 的的 LDOLDO 国半 NS 的两款 LCO LP2985 和 LP2989 要求输出电容贴装象陶瓷电容一样超低 ESR 这种电容的 ESR 可以