TI-线性稳压器基础知识

线线性性稳压稳压器基器基础础知知识识 2.1 线性稳压器的种类 什么是什么是线线性性稳压稳压器？器？ 线性稳压器的工作原理是：采用一个压控电流源以强制 在稳压器输出端上产生一个固定电压。控制电路连续监 视（检测）输出电压，并调节电流源（根据负载的需求）以 把输出电压保持在期望的数值。 电流源的设计极限限定了稳压器在仍然保持电压调节作 用的情况下所能供应的最大负载电流。 输出电压采用一个反馈环路进行控制，其需要某种类型 的补偿以确保环路稳定性。大多数线性稳压器都具有内 置补偿功能电路，无需外部组件就能保持完全稳定。 某些稳压器（比如：低压降型）则确实需要在输出引脚和 地之间连接一些外部电容以确保稳压器的稳定性。 2 线线性性稳压稳压器操作器操作 电压反馈负责对输出进行采样，R1 和 R2 可以内置 或外置 反馈用于控制传输晶体管至负载的电流 V IN V REF C IN V OUT C OUT R LOAD ERROR AMP PASS TRANSISTOR R1 R2 3 线线性性稳压稳压器拓扑器拓扑 VIN VOUT GND VOLTAGE CONTROL P-FET VIN VOUT GND VOLTAGE CONTROL NPN DARLINGTON VINVOUT GND VOLTAGE CONTROL PNP LDO VINVOUT GND VOLTAGE CONTROL NPN QUASI-LDO P-FET LDO VDO = 2VBE + VSAT VDO = VBE + VSAT VDO = VSAT VDO = RON X ILOAD 4 简单简单的模型的模型 基本的（一阶）线性稳压器可以模拟 为两个电阻器和一个用于 VIN 的电 源。 现实中，唯一恒定的参数是输出电压 VOUT。所有其他的参数都可以、而且 将会不断地改变。 输入电压可能会由于外界的干扰而 变化，而负载电流也许会因为负载运 行状况的动态变化而发生改变。 这些变量的变化可能会全部同时发 生，而用于将 VOUT 保持在一个恒定 值所需的 RPASS 的数值也将必需相 应地改变。 5 带带数数值值的的简单简单模型模型 对于第一个例子，我们将分配典型的操作值并计算串联 传输元件 RPASS 所需的数值。 VIN = 12V VOUT= 5V ILOAD = 50 mA 当 VIN= 12V 和 VOUT= 5V 时，RPASS 两端的电压 = (12V - 5V) = 7V 当流过 RPASS 的电流 = ILOAD = 50 mA 时，RPASS 所需 的电阻 = (7V / 50mA)= 140 6 负载电负载电流流变变化的化的简单简单模型模型 对于第二个例子，我们将负载电流从 50mA 变为 500mA，并计算串联传输元件 RPASS 所需的数值。 VIN= 12V VOUT= 5V ILOAD= 500 mA 当 VIN= 12V 和 VOUT= 5V 时，RPASS 两端的电压 = (12V - 5V) = 7V 当流过 RPASS 的电流 = ILOAD = 500 mA 时，RPASS 所需 的电阻 = (7V / 500mA) = 14 7 输输入入电压变电压变化的化的简单简单模型模型 对于第三个例子，我们将输入电压从 12V 变为 22V，并 计算串联传输元件 RPASS 所需的数值。 VIN= 22V VOUT= 5V ILOAD= 50 mA 当 VIN= 22V 和 VOUT= 5V 时，RPASS 两端的电压 = (22V - 5V) = 17V 当流过 RPASS 的电流 = ILOAD = 50 mA时，RPASS 所需的 电阻 = (17V / 50mA) = 340 8 控制控制环环路路 如前面所述，当工作条件发生变化时，串联传输元件 RPASS 的电阻也需要做出改变。 这是利用一个控制环路实现的。 误差放大器监视采样输出电压，将之与一个已知的 基准电压进行比较，并主动地调整 RPASS 以保持 VOUT 的恒定。 所有线性稳压器的一个共同特性是其在负载电流需求发 生变化之后需要一定的时间去“校正”输出电压。 这种“时滞”限定了被称为瞬态响应瞬态响应的特性，此特性反映了 稳压器在负载变化之后能够以多快的速度恢复稳态运作。 9 具有控制具有控制环环路模路模块块的的简单简单模型模型 这里增加了“简单”的模块以说明所有线性稳压器的 4 个 基本组成部分： 1) 串联传输元件 2) 误差放大器 3) VOUT 采样网络 4) 基准电压 10 给给 LDO 环环路增添一个零点路增添一个零点 所有的电容器都具有一个 等效串联电阻 (ESR) ESR 给 LDO 环路添加了 一个零点，其频率为： FZERO = 1/(2 x COUT x ESR) 该零点增加了正相移，可对 LDO 环路中的两个低频 极点之一进行补偿 用于用于说说明明 ESR 的的电电容器容器 ESR C 11 采用采用 COUT ESR 实现实现 LDO 的的稳稳定定 当输出电容器 ESR 为 1 时，它在 16 kHz 频率上增 加了一个零点 该零点增加了大约 +81° 的正相移（在 0 dB 下） 该零点使 0 dB 下的总相移 回复至 -110° 相位裕量增加至 +70°，因 此环路是稳定的 -20 0 20 40 60 80 环环路增益路增益 (dB) P L P1 P PWR ZERO ESR = 1 Ohm C = 10 µF OUT R =100 Ohm L ESR 零点可零点可稳稳定定 LDO 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 频频率率 (Hz) 0 -90 -180 相移相移 (DEG) 相位相位 裕量裕量 = 70°° 没有没有 零点零点 带带有有 零点零点 12 由前由前馈电馈电容器容器产产生的相位超前生的相位超前 CF 和 R1 形成了一个零点： FZ = 1 / (2 x R1 x CF) 不幸的是，它们也产生了一 个极点： FP = 1 / (2 x R1/R2 x CF) 13 CF 正相位超前与正相位超前与VOUT 的关系的关系 可能的最大相位超前取决于： VOUT/VFB 比 零点频率 FZ 相对于单位增益的位置 0 20 40 60 .01 0.1 1.0 10 f zf / f c 正相移正相移 (DEG) 10 30 50 V OUT = 12V V OUT = 5V V OUT = 3.3V 引引线电线电容器容器CF 的的优势优势 14 致使致使 LDO 环环路不路不稳稳定：定： 如何如何设计设计一个振一个振荡荡器？器？ 导致 LDO 产生振荡最常见的原因是什么？就是就是输输 出出电电容器！容器！ 1. ESR 过高 质量欠佳的钽电容器会具有高 ESR 铝电解电容器在低温条件下将具有高 ESR 2. ESR 过低 许多表面贴装型陶瓷电容器具有非常低 (10 的 ESR 值往往会造成环 路的不稳定 -20 0 20 40 60 80 环环路增益路增益 (dB) P L P1 P PWR ZERO ESR = 20 Ohm C = 10 µF OUT 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 频频率率 (Hz) 0 -90 -180 相移相移 (DEG) 高高 ESR 引致引致环环路的不路的不稳稳定定 RL = 100 Ohm 17 为为什么低什么低 ESR 会使会使 LDO 不不稳稳定？定？ 低 ESR 将零点移至一个较 高的频率 零点出现的频率比 0 dB 频 率高 1 个十倍频程以上 由于零点在 0 dB 下未添加 任何正相移，因此两个低频 极点将导致相移达到 -180° （不稳定） -20 0 20 40 60 80 环环路增益路增益 (dB) P L P1 ZERO -40 -60 低低 ESR 引致引致环环路的不路的不稳稳定定 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 频频率率 (Hz) 0 -90 -180 相移相移 (DEG) OUT ESR = 0.05Ohm C = 10 µF P PWR RL = 100 Ohm 18 谢谢谢谢! 19 线线性性稳压稳压器基器基础础知知识识 2.2 NPN NPN“准准 LDO”稳压稳压器器 NPN 准 LDO 具有下列特性： 要求输入电压至少比输出电压高 0.9V 至 1.5V 接地引脚电流大于 NPN-达林顿管，但小于 PNP-LDO 稳 压器 需要一个输出电容器，但一般不像 PNP-LDO 那样具有特 殊的 ESR 要求 2 NPN“准准 LDO”中的功率中的功率损损失失 NPN“准 LDO”中的功率损失的简单模型 3 驱动驱动 NPN“准准 LDO”传输传输元件元件 4 驱动电驱动电流与低流与低/高高负载电负载电流的关系流的关系 针对一个 5mA 负载电流 需求的驱动电流 将负载电流需求增加至 500mA 5 总结总结 NPN 准 LDO 具有下列特性： 要求输入电压至少比输出电压高 0.9V 至 1.5V 接地引脚电流大于 NPN-达林顿管，但小于 PNP-LDO 稳 压器 需要一个输出电容器，但一般不像 PNP-LDO 那样具有特 殊的 ESR 要求 6 谢谢谢谢! 7 线线性性稳压稳压器基器基础础知知识识 2.3 PNP PNP-LDO 线线性性稳压稳压器器 低压降电压（PNP 的 VSAT） 较高的接地引脚电 流（取决于负载） 需要输出电容器 2 PNP LDO 稳压稳压器中的功率器中的功率损损失的失的 简单简单模型模型 驱动 PNP LDO 传输元件 3 驱动电驱动电流与低流与低/高高负载电负载电流的关系流的关系 针对一个 5mA 负载电流 需求的驱动电流 将负载电流需求增加至 500mA 4 总结总结 PNP LDO 具有下列特性： 要求输入电压仅比输出电压高 100mV 至 700mV 具有高于 NPN 型 LDO 的接地引脚电流 需要谨慎地选择输出电容器数值和 ESR 额定值 5 谢谢谢谢！ 6 标标准准 NMOS 中的功率中的功率损损失失 NPN“准 LDO”中的功率损失的简单模型 2 驱动标驱动标准准 NMOS 传输传输元件元件 这幅简化的原理图中示出了经由 NMOS 传输元件流至负 载的电流。这里所使用的栅极至源极电压 (VGS) 用于说明 原理。实际的栅极至源极电压将取决于所运用的制造工艺 以及设计考虑因素。一个标准的 NMOS 传输晶体管实际 上将由几千个并联的单独晶体管组成。 3 驱动电驱动电流与低流与低/高高负载电负载电流的关系流的关系 针对一个 50mA 负载电 流需求的驱动电流 将负载电流需求增加至 3A 4 具有偏置具有偏置电电源源轨轨的的 N-FET LDO 需要偏置电压以上拉 N- FET 具有与 NPN 稳压器相 似的特性 LP3885x VINVOUT GND - + REF R1 R2 N-FET BIAS 5 N-FET LDO 的的优势优势 N-FET 的导通电阻低于 P-FET 允许非常低的 VIN 和 VOUT 数值 较低的输出阻抗可减轻负载极点的影响 可在采用小的外部电容器时保持稳定 低接地引脚电流（与负载无关） 高 DC 增益与令人满意的带宽 6 总结总结 NMOS 稳压器具有下列特性： 要求输入电压高于输出电压（高出的幅度依据传输晶体管 的 VGS 要求） 这不是低压降 接地引脚电流不随输出负载电流而变化 不需要任何输出电容器（但不管怎么样还是使