线性稳压器的工作原理及比较____整理word打印版

1、线性稳压器的工作原理及比较摘要随着便携式设备(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。关键词NPN 稳压器LDO稳压器准LDO稳压器波特图零点极点NPN 稳压器(NPN regulators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 pa

2、ss transistor,输入输出之间存在至少1.5V2.5V的压差(dropout voltage。这个压差为:Vdrop = 2Vbe +Vsat(NPN 稳压器(1 LDO 稳压器(LDO regulators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1020mV。LDO的压差为:Vdrop = Vsat (LDO 稳压器(2准LDO 稳压器(Quasi-LDO regulators准

3、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稳压器的工作原理(Regulator Operation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(Sa

4、mpled,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性能比较(Performance ComparisonNPN,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

5、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1520。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(Posit

6、ive 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(Feedback and Loop Stability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(Bode Plots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

7、。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。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(LOOP GAIN闭环系统(Closed-loop System有个特性称为回路增益(L

8、oop 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。 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 /

9、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(FEEDBACK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 Feedba

10、ck。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。 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(PHASE

11、 SHIFT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。 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(PHASE MARGIN相位裕度(Phase Margin,单位:度,定

12、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(POLES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。

13、 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(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。 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。假设直流增益(DC gain为80dB,第一个极点(pole发生在1

14、00Hz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=-a

15、rctan(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

16、起振荡。NPN 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。 NPN稳压器的主极点(Dominant Pole,用P1点表示,一般设置在100Hz处。1 00Hz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

17、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-10d B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,

18、而极点P2又处于高频,它在0dB处的相位偏移就很小了。LDO 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 × Rl oad ×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5 V/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

19、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5 00kHz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。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(

20、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:电容器的等效电路图。 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

21、 =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。 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

22、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。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 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）。 降低零点的频率会使回路的

23、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 Ppw r 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 ESR 选择具有很低的 ESR 的输出电容

24、，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）。 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 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。 L

25、DO 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 Z

26、5U 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 LDO 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。 有的 LDO 允许低 ESR 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 可以低到 510m。 然而这样小的 ESR 会使典型的 LDO 稳压器 引起振荡