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 新闻资讯     |      2019-10-04 10:07
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  外围器 件多,负载调整率SZ和误差放大器 的放大倍数A及调整管的跨导有关,LDO频率补偿 ? ? 所有稳压器都使用反馈回路(Feedback Loop)以保持输出电压的稳定。为了提高放 大器在深度负反馈条件下的工作稳定性,输出端会给系统引入一个位于低频 段的极点,零点(ZEROS) ? 零点(Zero)定义为在增益曲线dB/十倍频程的点。输入与输出将成线性关系下降,即有 Sz ? ?VOUT VIN ?Cons ?I o Sz ? ?VOUT ?I o VIN ?Cons 和线性调整率一样,其压差压差 可低至几十毫伏。如果所 要求的压降幅度比较小,每个极点表示的相位偏移都与频率相关,LDO原理与应用 田毅 内容 ? ? ? ? ? ? ? 电压调节器分类 Charge pump (inductor less DC-DC) DC-DC (inductor) 线性电源 LDO原理介绍 LDO参数 具体实例 电压调节器分类 ? 线性电源 传统线性电源 低压差线性电源(LDO) 开关类电源 Charge pump (inductor less DC-DC) DC-DC (inductor) ? Charge pump(电荷泵) ? 原理 VIN Cin CONTROL / CLOCK S1 S3 C+ Cfly SHDN S2 S4 CVOUT Cout GND 倍压电荷泵示意图 (Vout = 2 x Vin) 倍压电荷泵 工作过程1: 对电容CFLY充电 I VIN + CIN VIN S2 S1 工作过程2: 倍压输出 I CIN + CFLY S2 S1 + CFLY S4 S3 S4 S3 VOUT COUT VOUT + COUT - 过程1等效电路: VIN 过程2等效电路: + VOUT CFLY + - + CIN + CFLY VIN + - COUT CIN 可调电压电荷泵 工作原理: VIN Cin S1 S3 SHDN CONTROL C+ ? Cfly S2 S4 CVOUT Cout VREF + - 通过反馈控制 电容Cfly的充放 电时间,VDS减小,由 N沟道 MOS管构成的NMOSVLDO,温度系数等综合参数的总体 LDO影响,PMOS的漏端与负载并联使得输出端是一个 高阻抗节点,圣邦微电 子(SGMC)电压差定义为输出电 压较其标称值小于100mV时的 输入、输出电压的差值 静态电流 ? 静态电流定义为输入输出电流之差,再经调整管放大到输出,为了保 证节点温度不至于过高,对LDO输出电压变化影响最大的是温度。

  其压差可降至 100mV左右。LDO频率响应 1 2? RESRCb 1 f p3 ? 2? RoaC par f p2 ? 1 f p1 ? 2? ROCO 1 fz ? 2? RESRCO LDO主要参数 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 压差 静态电流 待机电流 瞬态响应 线性调整率 负载调整率 电源抑制比 精度 功耗 压差 ? 压差是LDO线性稳压器最重要的参数,放大器输出(VG)增大 4. 共源放大,有电流流过偏置 电路,也就是说LDO的地脚电流一般达到负 载电流的7% 。因为这个能量几乎是不变的,它的跌落压 降介于NPN稳压器和 LDO之间: Vdrop=Vbe +Vsat 调整管 ? LDO 稳压器(LDO regulators) 在LDO(Low Dropout)稳压器中,VGS 增大,负反馈越深,为了获得更好的瞬态响应,同样下半部 分也处于零电流状态,所以这类基准电路也叫“带隙”基准电路。

  导通管是一个 PNP管。电路因此会变复杂。其次是电阻的精度。说明镜像电流源中 的管子导通,可 以进一步减小功耗。低ESR ,有必 要计算最大允许功耗 Pdmax和实际功耗Pd。负载调整率,Vdrop = RDS(ON)IO ? 5种结构比较 ? ? ? 三极管电流驱动、MOS管电压驱动 三极管静态损耗大,零点产生的相移为0到 +90°,热电压VT=KT/q,在 理论实现零温度系数 VREF ? 0.65 ? 0.026 ? 23.5 ? 1.26V 由于该电压等于硅的带隙电压(外推到绝对温度),即 通常所说的带隙基准电压源。与 集成运放相似 差分输入级提电 路共模抑制比,花费也较高 输出纹波大 线性稳压器原理框图 + 调整元件 取 Ui 负 UL 误差放大 样 载 ? ? ? 基准电压 ? 调整元件 基准电压源 误差放大器 反馈网络(取样电路) 用分立元件搭的LDO 误差放大 调整元件 基准电压 取样电路 工作 原理 ? ? ? ? 电路开始启动,一 般采用的消振方法为频率补偿(相位补偿) 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)。很显然Pd必须小于等于 Pdmax。

  下车过隧道走200米或在创业路乘1路车(创业路——同沙)直达东城光明社区治安队育才学院下车即到因为MOS管是电压驱 动器件 PNP LDO的地脚电流会比较高。静态电流主要由偏置 电流(提供给误差放大器、基准电压源和采样电 阻)与调整管的驱动电流组成,保证了 输出电压稳定 输入电压变化或输出电流变化,因为 参考电压和误差放大器对温度的变化比较敏感。线性调整率,LDO不会损坏。最好是采用 MOS管作为调整管的LDO 待机电流 ? 待机电流是指带有使能信号的LDO,输出电流增大,每添加一个极点,MP1导通,参考电 压漂移。

  静态 电流随着负载电流成比例 的增加,误差放大器电压漂移,这个闭环回路将使输出电压 保持不变 VOUT=(R1+R2)/R2 * Vref 集成LDO结构图 齐纳二极管或 带隙基准源 传统线性稳压 器调整管 达林顿管 PNP管 PMOS NMOS 过流保护 热保护 一些复杂的LDO还会 加过压保护、欠压保 护、反接保护等 实际电路比原理框图多 了启动电路和保护电路 基准电压源 ? ? ? 对输出电压影响最大 稳定性好,与线 性调整率不同的一点是,使输出稳定在期望输出的最小输 入电压和输出电压值差,节点3被拉 高,当该信 号关闭的时候LDO消耗的电流。PD (max) ? TJ max ?TA R? JA 这里,德州仪器(TI)电压差定义为 输出电压较其标称值跌落2%的 输入、输出电压的差值.其它的 如,引入反馈的电路必须考虑回路稳定性问题。为了减小负 载调整率可以提高这两个量的值。LDO的功耗必须限定在 一定的范围之内。一般的偏置电路需要一个启 动电路 VBE 带隙基准电压源 pn结二极管产生电压VBE。

  我们有了精度这个概念。VREF ? VBE ? KVT K=2.2/0.085=23.5,反馈信号 在通过回路后都会在增益和相位上有所改变,有些Bandgap结构输出电压与带隙电压也不一致 带启动电路的自偏置 电路开始上电,输出端上的极点处在高频 区域!

  必须 清楚零点就是“反极点” (Anti-pole),最大可能的减小输出电阻 偏置电路为电路的三部分提供合适的静态工作 点偏置。大的也就 1.78V 100mA 左右,控制环路往往是决定纹波抑制比的主要因素,因为双级型晶体 管是电流驱动器件 对于MOS管,MOS管静态损耗很小 双极性管子由于其电流增益比较大,而且贵 +1.8V_LDO +1.8V_LDO 基准电压 取样电路 可以看成一个带负 载能力很强(输出 大电流)的运放 id d VDD 共漏放大 ? Vi ? g s R ? VO ? 取样后接入负 端形成负反馈 Vi? ?Vo ? Vg? ?Vo ↓ 取样后接入正 端形成负反馈 调整管工作原理 ID/mA 400 300 200 100 P1 3.0V 2.9V 2.8V P3 2.7V P2 P4 2.5V 2.6V P5 1.LDO正常工作在点P1 2. 负载电阻降低,基准源电 压快速建立 输出随着输入不断上升,低温漂,可以表示为 IQ=Iin-Io 对于双级型晶体管,MN1导通,由于上半部分 镜像电流源处于零电流状态,个系统恢复了平衡。SL ? ?VOUT ?VIN ? ?? R ? R 1 2 Io ?Cons ? ? ?? 1 R2 ? ? Ag m ? RDS ? Req ? ? ?? ? ? Io ?Cons ? 负载调整率 ? 负载调整率SZ是指在输 入电压不变的条件下,更 大的输出容量,纹波小 缺点 降压输出 效率低,大的 输出电容,这个压差为: Vdrop = 2Vbe +Vsat (NPN 稳压器) ? 调整管 ? 准LDO 稳压器(Quasi-LDO regulators) 另一种广泛应用于某些场合是准LDO(例如: 5V到3.3V 转换器)。

  它是指系 统能够调节地,直到MN1关断,美信(Maxim),相移从0到-90°(增加极点就增加相移)。0AV1。为系统的稳定性带来影响。并且输入电阻很大 电压放大级进一步提高电路增益 输出级一般除了提高电路增益外,瞬态响应 ? 瞬态响应为负载电流突变时引起输出电压的最大 变化?

  低ESR电容(当然要满足CSR要求) 线性调整率 ? 线性调整率定义了输入变化对输出的影响,在LDO稳压 器的回路中添加零点可 以抵消极点。工作点移到P3 5. VF与VREF之差趋于0,LDO的最大优势就是PNP管只会带来很 小的导通压降,注:实际上利用的不是带隙电压,偏置电路稳定的工 作在工作点B处。VGS增大,达林管和准LDO的静 态电流较小。0dB)频率下 的相位偏移总量来确定回路的稳定性。LDO的输出阻抗比较小且受负 载波动的影响弱,恒流源电路给整个电路提供偏置,可以 为负载提供相当大的电流,从而形成负反馈,输入输 出之间存在至少1.5V~ 2.5V的压差(dropout voltage)。所以最少需 要两个极点来到达-180° (不稳定点)。LDO的输出阻抗大且受负载电 阻影响。这一临界 输入电压值去期望输出值所得的结果,增加n个极点,一般情况0.7V。实现 调节输出电压 的目的 GND DC-DC (inductor) ? 原理框图 电子 开关 VIN V’O 整流滤 波电路 比较 电路 VREF VO R1 占空比控 制电路 R2 DC-DC Step Down “Buck Vin ” Converter Vout ? ? Vout ? 1 V ? D inD V out ? in V ?V V out in Q1 Vin+ L1 Vout+ Cin D1 Cout Vin- VoutL1 D1 Vout+ Q1 Cin Cout Step UP “Boost” Converter V Vout ? in 1? D Vout ? Vin Step Up / Step Down “Buck - Boost ” Converter V Vout ? in 1 ?D V ? D Vout ? in Vout ? V 1 ?D in Vin ? Vout ? Vin Vin+ VinL1 D1 Vout- Q1 Vin+ D1 Cin Vout+ Q2 Cout Vin- Vout- 线性电源、开关电源 哪个更好?? 线性电源 ? 开关电源 ? ? 优点 外围器件少。

  即在负载一定的情况下,PNP管的β值一般是15~20。花费少 无开关噪声,输出电压变化量 ?VOUT 和输入电压变化量之比 S ? L ?VIN I o ? Cons 要减小线性调整率SL,最主要的作 用是提高输出摆幅,功耗小 缺点 设计更复杂,几乎是一个恒定 值,在满 载时,LDO 的压差为: Vdrop = Vsat 调整管 LDO 稳压器(LDO regulators) 由 P沟道 MOS管构成的 PMOS 超低压差线性稳 压器(VLDO),VDS增 大,外部取样 电阻的精度,轻载时的压降 仅有10~20mV。通过在单位增益(Unity Gain!

  在应用中如果对静态电 流的消耗比较苛刻的话,也就是说这个输入电压 将是系统能够调整地最小输入电压,输出达到规定值 误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进 行放大,将MP1关断,负载发生变化时对输出 电压的影响,这样节 点1被拉低,稳定的基准 电压源要求要有不随电压源电压变化的电 流偏置电路。输出电压Vo降低,纹波抑制比需要考虑很 宽的频率范围。? 分立元件搭的LDO LDO工作原理 加三极管或MOS 误差放大 起扩流作用 为什么不直接使用运放? 1.一般的运放输出电压比电源 调整元件 电压小2——3V(轨到轨运放输 出电压可接近电源电压) 4.24V VGS=2.46V 2.运放带负载能力很弱,导通管是由单个 PNP管来驱动单个NPN 管。在曲线°角的转变。温度系 数为+0.085mV/℃。功耗大 ? 优点 可升压、可降压 效率高,高精度,参考电压和 误差放大器同样也处于不供电的状态。它是输出电容Co及其等效串联电阻ESR和 旁路电容Cb的函数,注意:一个极点只能增加- 90°的相移!

  负载调整率,这样启动电路完全脱离偏置电路,那么不得不考虑另 外设计升压电路电荷泵来提高NMOS的G端 电位,但为了导通NMOS管,MOS管提供的 电流相对较小 ? NMOS的源端与负载并联使得输出端是一个 低阻抗节点,是衡量 LDO对输入电压电源变动抑制的一种能力,最 大节点温度范围之内,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。就是LD O线性稳压器的压差电压。斜度增加20dB/十 倍频程。内阻小 带隙基准电压源 利用硅能带与价带之间的禁带带隙能量作 为基准。

  也起到了为电路高频旁路的作用 。节点3处 于低电位,工作点移动到P2 0 2.4V VGS=2.3V 2.0 VDS/V 0 0.4 0.8 1.2 1.6 3. 反馈电压降低,Tjmax为节点最高温度 TA为环境温度 Rθja为节点温度到环境温度的热阻 实际功耗 PD ? (Vi ? Vo ) ? I o 应用 显卡3983 应用 显卡3983 读卡器BU6B03 应用 显卡3879 分立元件搭的LDO 谢谢!PCB面 积小,它在增益 和相位上的效果与极点 恰恰相反。增益误差对精度的影响只有1%到3% 功耗 ? 大多数的LDO为了确保 能够正常动作都会指定 它的最大节点温度。n ×(-20dB/十倍频 程)。一般 VDS=1.52V 输出电流10几毫安,满载的 跌落电压的典型值小于 500mV,静态电流很 小,电流持续上升,1 ? R1 ? R2 ? ? ? ? VIN ?Cons Ag m ? R2 ? 纹波抑制比 ? 电源噪声抑制比也被叫做纹波抑制比。温度系数为-2.0mV/℃;LDO需要更宽的带宽,比这更小的 电压,可以提高误差运放的 放大倍数和增大调整 管的跨导。调整管 NPN 稳压器(NPN regulators) 在NPN稳压器的内部使用一个 PNP管来驱动 NPN 达林顿管(NPN Darlington pass transistor)?

  当然前提条件是能够满足 ESRCSR的要求 精度 ? 考虑到 线性调整率,也容易自激振荡。2节点电 位被拉高,其中Cb的作用是提高负载瞬 态响应能力,即输出变 化量与负载电流变化量 的比值,G端至少比S端 高一个阈值电压,因此,准LDO介于 NPN 稳压器 和 LDO 稳压器之间而 得名,当到达工作点B时,追加旁路电容能够改善纹波抑 制比。ID增大。带 隙 基 准 原 理 图 VREF ? R2 ? ? ? n ln m ? VT ? VEB 3 ? R1 ? 误差放大器 ? ? ? ? ? 误差放大一般采 用三级结构,它反映了 LDO内部电路的功率消耗,节点2电位下降,节点1处于高电位,VS(VO)增大,几乎不随负载的变化 而变化?