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LDO稳压器工作原理

来源:    作者:     发布时间:2015-05-23 08:09:15     点击数:

Pl = 1 / (2π × Rload × Cout)=1/(2π × 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=100Ω,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)。

111013292b1.jpg

可以看出回路是不稳定的。极点PL和P1每个都会产生-90°的相移电感器批发。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 ESR 补偿 LDO

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:电容器的电感厂家等效电路图)。

11101359AA.jpg

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 / (2π × 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 = 1Ω。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。

11101431H22.jpg

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(Posit变压器电感器ive 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500kH电感生产厂家z,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。

ESR 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。

1110150BE5.jpg

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ESR

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20Ω。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)。

1110155223K.jpg

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 >10Ω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

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50mΩ,则零点的频率会变到320kHz(图18:低ESR引起回路振荡的波特图)。

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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。如电感器生产果要系统稳定,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。1

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