深入理解LDO低壓差線性穩(wěn)壓器

根據(jù)調(diào)整管的工作狀態(tài)，我們常把穩(wěn)壓電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。此外，還有一種使用穩(wěn)壓管的小電源。這里說(shuō)的線性穩(wěn)壓電源，是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。而在開(kāi)關(guān)電源中則不一樣，開(kāi)關(guān)管是工作在開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)下的。

簡(jiǎn)單介紹下分類：NPN穩(wěn)壓管：內(nèi)部用一個(gè)PNP管控制達(dá)林頓調(diào)整管。LDO穩(wěn)壓管：調(diào)整管是一個(gè)PNP管。Squasi-LDO：調(diào)整管是由一個(gè)PNP管控制一個(gè)NPN管。

LDO（low drop output）低壓差線性穩(wěn)壓器

LDO的工作原理是通過(guò)反饋調(diào)整MOSFET的Vsd壓降以使輸出電壓不變。輸出電壓紋波小，電流也較小，用于RF模塊或音頻模塊等對(duì)電壓要求高的電路。特點(diǎn)是成本低噪音小。缺點(diǎn)是效率低，輸出電流小，只能用在降壓的場(chǎng)合。必須要注意，為了達(dá)到穩(wěn)定的回路就必須使用負(fù)反饋。

下面是LDO S-1167 Series的基本原理圖。

該電路主要是由串聯(lián)調(diào)整管、取樣電阻、比較放大器組成。取樣電壓加在比較放大器的同相輸入端，與加在反相輸入端的基準(zhǔn)電壓Uref相比較，兩者的差值經(jīng)放大器A放大后，控制串聯(lián)調(diào)整管的壓降，從而穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)輸出電壓Uout降低時(shí)，基準(zhǔn)電壓與取樣電壓的差值增加，比較放大器輸出的驅(qū)動(dòng)電流增加，串聯(lián)調(diào)整管壓降減小，從而使輸出電壓升高。相反，若輸出電壓Uout超過(guò)所需要的設(shè)定值，比較放大器輸出的前驅(qū)動(dòng)電流減小，從而使輸出電壓降低。供電過(guò)程中，輸出電壓校正連續(xù)進(jìn)行，調(diào)整時(shí)間只受比較放大器和串聯(lián)調(diào)整管回路反應(yīng)速度的限制。環(huán)路內(nèi)的負(fù)反饋總是強(qiáng)制比較放大器調(diào)節(jié)輸入兩端的電壓使其相等。

LDO的效率不高，下表是3.3v的LDO量得的數(shù)據(jù)。

在diag下效率為67.86%，在OS下效率為66.62%。輸入輸出電流基本相等，是因?yàn)檩斎腚娏鞯捷敵鲭娏?，?jīng)過(guò)PNP調(diào)整管，只在柵極消耗了一點(diǎn)。以S1167B33-I6T2G為例測(cè)得的輸入輸出曲線如下圖：

輸入端大于3.3V時(shí)，一直有恒定的3.3V輸出，大于2.8V小于3.3V時(shí)，輸入等于輸出，小于2.8V時(shí)，系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。把輸出端對(duì)地短路，并未出現(xiàn)大電流（0.02mA）。6.5V是spec中定義的，由于怕?lián)p傷器件，輸入并未超過(guò)6.5V測(cè)量。

穩(wěn)壓管的另一個(gè)重要的指標(biāo)就是穩(wěn)定性，在我們的設(shè)計(jì)線路中常常看到在其輸出端會(huì)有大大小小的電容，其作用是什么呢？下面具體分析穩(wěn)壓管的反饋及回路穩(wěn)定性。

前面提到過(guò)三中穩(wěn)壓管：1.NPN穩(wěn)壓管

例如：LM340 LM317 比較老的3端穩(wěn)壓管

2.LDO穩(wěn)壓管

例如：S-1167 Series3.準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器

三種穩(wěn)壓器的最大區(qū)別在于壓降和接地引腳電流。很明顯NPN和準(zhǔn)LDO的穩(wěn)壓管在調(diào)整管上稍微復(fù)雜點(diǎn)，所以壓降也大些。達(dá)林管的增益很高，所以只需要很小的電流就可以驅(qū)動(dòng)，準(zhǔn)LDO也是這樣，IGND很小。PNP管的放大系數(shù)一般是15-20，LDO的IGND電流能達(dá)到負(fù)載電流的7%。 NPN穩(wěn)壓管的最大好處就是無(wú)條件的穩(wěn)定（大多數(shù)不需要加外接電容），LDO則需要在輸出端加上電容，以減少回路帶寬及提供些正的相位補(bǔ)償。

所有的穩(wěn)壓器都使用負(fù)反饋回路以保持輸出電壓的穩(wěn)定。但反饋信號(hào)在通過(guò)回路后都有一定的增益和相位變化。如果反饋信號(hào)相位有180度變化，負(fù)反饋就會(huì)變成正反饋，造成輸出不穩(wěn)定。因此反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)整個(gè)回路的相位偏移，需要有至少20度的相位裕度，這樣才能保證電路的穩(wěn)定。（相位裕度定義為回路總的相位偏移與-180度的差）環(huán)路的不穩(wěn)定來(lái)自于相位移量，我們可以在反饋回路中通過(guò)變壓器注入正弦小信號(hào)，如下圖所示,Loop Gain=Va/Vb,從Vb傳入交流小信號(hào)，同過(guò)回路產(chǎn)生相移到達(dá)Va。這樣可以計(jì)算回路增益，相位的偏移量。（此處以LDO分析）

可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)測(cè)量回路增益，它通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)回路注入低電平的正弦波，然后從直流信號(hào)掃描到使增益下降到0dB的頻率來(lái)測(cè)量增益的響應(yīng)。

下面以一幅波特圖具體分析反饋回路的增益及相位變化情況。

概念：極點(diǎn) 增益曲線出現(xiàn)-20dB/10倍頻變化的點(diǎn)零點(diǎn) 在增益與相位上的效果與極點(diǎn)相反。極點(diǎn)相移=-arctan（f/fp）零點(diǎn)相移=arctan（f/fz）假設(shè)直流增益為80dB（10-100Hz處的增益），100到1KHz增益減少了20dB，10K-100KHz增益減少20dB，100K-1MHz增益減少40dB（斜率有-20dB/10倍頻的變化）。圖中可以看出有3個(gè)POLE，一個(gè)ZERO。1MHz處的增益是0dB，說(shuō)明1MHz的小信號(hào)在此截止，此回路的帶寬就是1MHz。

從這個(gè)波特圖能看出這個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定么？前面說(shuō)了系統(tǒng)是否穩(wěn)定主要看相位移量，而我們只要看在0dB時(shí)的相移就可以了（圖中是1MHz）。

上圖中有3個(gè)極點(diǎn)和1個(gè)零點(diǎn)，前兩個(gè)極點(diǎn)產(chǎn)生-180度相移，零點(diǎn)產(chǎn)生90度相移，最后一個(gè)極點(diǎn)在40dB到0dB處，斜率為-40dB/10倍頻。根據(jù)極點(diǎn)相移公式-arctan（f/fp）=-arctan(10)=-1.47,換算成角度為-84.3度。所以總的相移為-180+90-84.3=174.2度。前面說(shuō)到相位裕度等于｜-180+174.2｜=5.8<20.所以此回路不穩(wěn)定。看似上面的分析比較復(fù)雜，其實(shí)是自動(dòng)控制理論里面的傳輸函數(shù)和根跡圖的概念.簡(jiǎn)單的說(shuō),一個(gè)(線形)系統(tǒng)是否穩(wěn)定(不會(huì)產(chǎn)生振蕩)取決于它的傳輸函數(shù)的極點(diǎn)分布.(極點(diǎn)的實(shí)部必須小于零),而且極點(diǎn)實(shí)部負(fù)數(shù)的絕對(duì)值越大,系統(tǒng)越穩(wěn)定.我們就可以通過(guò)增加極點(diǎn)或是零點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)相位裕度，從而使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。

調(diào)節(jié)LDO系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最常見(jiàn)的補(bǔ)償方法是在系統(tǒng)中插入零點(diǎn)來(lái)取消相移和極點(diǎn)。由于 LDO 已經(jīng)就正常運(yùn)行要求了一個(gè)輸出電容器,因此使用輸出電容器的ESR通常就是最簡(jiǎn)單也最廉價(jià)的生成零點(diǎn)的方法。等效串聯(lián)電阻（ESR）是每個(gè)電容都具有的幾個(gè)基本特性?？梢钥礊殡娮韬碗娙莸拇?lián)等效電路。輸出電容的ESR在回路增益中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，用來(lái)減少過(guò)量的負(fù)相移。增加系統(tǒng)的帶寬，使更穩(wěn)定。零點(diǎn)處的頻值：Fzero = 1/（2πxCoutxESR）

假設(shè)一個(gè)LDO系統(tǒng)在0dB時(shí)的截止頻率是30kHz。在其輸出端增加輸出電容為10uF，輸出電容的ESR=1ohm。則在16kHz處產(chǎn)生零點(diǎn)。

一般的LDO會(huì)由負(fù)載阻抗、輸出容抗等自身產(chǎn)生一些極點(diǎn)。圖中有3個(gè)極點(diǎn)（具體由來(lái)就不做分析，可由網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描出），但有1個(gè)Ppwr在0dB之后的頻段，也就是帶寬之外，可以不考慮。從上面兩幅波特圖的對(duì)比看出，第二張圖增益曲線，當(dāng)增加了輸出電容后，從80dB到0dB變得更平緩些。系統(tǒng)的帶寬大概從40KHz增加到100KHz左右。相位裕度也相應(yīng)的增加（此例就不仔細(xì)計(jì)算了）。

那么系統(tǒng)對(duì)ESR又有什么要求呢？比如此例中設(shè)ESR=20ohm，則零點(diǎn)頻率會(huì)降低到Fzero=800Hz，使系統(tǒng)的帶寬增加到2MHz，從整個(gè)的波特圖我們發(fā)現(xiàn)在100K到2MHz之間又多了一個(gè)極點(diǎn)Ppwr。這就意味著系統(tǒng)又有了-90度的相移，零點(diǎn)就失去了其意義。那么ESR是不是越小越好呢？設(shè)ESR=50mohm。零點(diǎn)頻率會(huì)降到320kHz。不用看就知道，系統(tǒng)地穩(wěn)定性基本沒(méi)改變，因?yàn)橄到y(tǒng)的帶寬就是40KHz，增加的零點(diǎn)頻率為320KHz已經(jīng)超出了帶寬。

為了補(bǔ)償LDO穩(wěn)壓器的。所以選擇的電容ESR要求要嚴(yán)格，首先要符合系統(tǒng)的回路頻率特性，同時(shí)也要有較好的溫度特性，不能隨溫度變化而變化過(guò)大。頻率響應(yīng)也是重要的指標(biāo)。這點(diǎn)鉭電容是比較好的選擇。（ESR是指在一定溫度下的某個(gè)頻率下的最大阻值，廠商一般定義為25攝氏度100KHz）