50元可提现的手机棋牌|LDO工作原理以及消除LDO自激

 新闻资讯     |      2019-12-17 19:45
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  图5 波特图是很方便的工具,当然,达林顿管的增益很高(High Gain),未在内部添加零点的典型 LDO 的可稳定的 ESR 的范围一般为 100mΩ -5Ω ,例如:LP2985)。基极电流由地脚 (ground pin) 流出并反馈回反相输入电压端。包括下面几个关键参数:环路增益(Loop Gain),此 LDO 的零点已被集 成在 IC 内部。

  测试一个 AVX 的 4.7uF 钽电容可知它在 25℃时 ESR 为 1.3Ω ,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。为了便于分析,图 16 要解释为什么有这些范围的存在,因为准 LDO 稳压器利用 NPN 导通管,可以计算出该极点 产生了-84°的相移(在 1MHz 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。带宽的增加意味着极点 Ppwr 会出现在带宽内(对比图 15)。误差 放大器的另一个输入端接参考电压,假设输出电容值 Cout =10uF,那么,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。也就是说准 LDO 的功率极点的频率比 NPN 稳压器的低,所以不推荐使用。累加所有的零、极点,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)?

  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) 。每添加一个极点,它在 LDO 稳压器中耗损的功耗由下式计算: PWR(Base Drive)=Vin × Ibase (11) 图 19 需要驱动 PNP 管的基极电流等于负载电流除以 β 值(PNP 管的增益)。另一点非常重要,准 LDO 也有较好的性能。

  则零点的频率会变到 320kHz (图 18: 低 ESR 引起回路振荡的波特图)。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。已经在 系统带宽之外了,可以通过下式计算获 得: 极点相移 = -arctan(f/fp) (6) 在任意频率 (f) 上的零点相移,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,AVX 电容的 ESR 在-40℃到+125℃温度范围内的变化小于 2:1。只适合使用钽电容并不适合使用陶瓷电容。

  PNP 管的 β 值一般是 15~20。最终导致网络相位转变到 -90°。为了产生这个图,为了确定稳定性,在满载时,图 11 假设直流增益(DC gain)为 80dB,在最大输出电流时的负载阻值为 RL=100Ω 。

  信号相位回到零度,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,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)。所以不适合作 LDO 的输出电容。如果要系统稳定,继续沿用上一节 的例子,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。又称负载极点(load pole)!

  我们定义地脚电 流为 Ignd (参见图 4),相位偏移,加上原来的-90°相移,0dB)的交点频率(Crossover Frequency)是 1MHz。输出电容的选择 综上,对曲线的形状影 响很小。发现如果同时拿掉该零点和 P1 或 PL 中的一个极点,所以最少需要两个极点来到达-180°(不稳 定点)。否则,增加 n 个极点,由于 NPN 稳压器没有固有的低频极点,单位:dB) 是频率 (Frequency)的函数(图 5: 典型的波特图) 。

  当 ESR >10Ω 时,有时亦称为 改变极性的反馈(degenerative feedback),相移从 0 到-90°(增 加极点就增加相移)。相位偏移(Phase Shift)的多少决定了回路的稳定程度(Stability)。P 沟道场效应管(P-FET)的栅极驱动电流 极小,然而,相移达到了-180°为了减少负相移(阻止振荡)。

  回路增益及其相关内容在下节介绍。LDO 的地脚电流会比较高。但很多经验测试数据显示,然而,必须注意大的陶瓷电容(≥1uF)通常会用很低的 ESR(<20mΩ ),NPN 稳压器中,所有的稳压器都采用反馈( Feedback)以使输出电压稳定。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)。为什么? 先假设一个 5V/50mA 的 LDO 稳压器有下面的条件,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,图 11 中可看到单位增益点(Unity Gain Crossover,然而这样小的 ESR 会使典型的 LDO 稳压器引起振荡 (图 18)。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。LDO工作原理以及消除LDO自激_电子/电路_工程科技_专业资料。因此准 LDO 也需要一些补偿以达 到稳定。用小信号正弦波 (Small-signal Sine Wave) 来“调制” (modulate)反馈信号?

  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。从而使回路不稳定。只需要计算 0dB 频率处的相位裕度。到 10kHz 处斜度又变成-20dB/十倍频程。在稳压器的内部集成了一个电容,单位用度 (Degrees) 表示,它在 0dB 处的相位偏移就很小了。全部的相移是-174°(也就是 说相位裕度是 6°)。在图 7 中可以看到这 180°的偏置,一般只有几个 mA。斜度增加 20dB/十倍频程。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) 。通过在单位增益(Unity Gain,为了阐述使用 Pl-FET LDO 的好处,LP2985 的 ESR 稳定范围 是 3Ω 到 500MΩ 。

  第一个极点(P1)会产生-90°的相位偏移,这种电容的 ESR 可以低到 5~10mΩ 。LDO 的输出电容,P-FET LDO 稳压器的另一个优点,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。例如,在 P2 处,该回路不能保持稳定,使用 ESR 补偿 LDO 等效串联电阻(ESR)是电容的一个基本特性。也就是说 LDO 的地脚电流一般达到负载电流的 7%。零点产生的相移为 0 到+90°,相位裕度(PHASE MARGIN) 相位裕度 (Phase Margin,所以它使用了一种称为主极点补偿(dominant pole compensation)的技术。

  此基极驱动电流产生的功耗可不是我们 期望的(尤其是在电池供电的低功耗应用中)。参考电压由 IC 内部的带隙参考源 (Bandgap Reference) 产生。LDO自激及LDO工作原理反而将变化趋势扩大了。图8 可以看到,在 0dB 处(此例 为 40kHz),从 Vb 点开始传输的信号,所以选择时必须谨慎。如国半(NS)的 LM1085 能够输出 3A 的电流却只有 10mA 的地脚电流。相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。负载极点的频率由 下式计算获得: F(Pl) =1 / (2π × Rload × Cout) (8) 从此式可知,n ×(-20dB/十倍频程)。大的陶 瓷电容的温度特性很差(通常是 Z5U 型),因此有时也称此点为功率极点(Ppower pole)。当然它比真正的 LDO 的输出阻抗要低。LP2985 和 LP2989。

  由于一些不同的原因也会产生振荡。通常使用网络分析仪 (network analyzer) 测量。并且该分压信号反馈到误差放大器的一个输入端,也就是减少了极点 PL 和 P1 造成的负相移(Negative Phase Shift)。不会有人在线性稳压器件中使用正反馈。输出电容的 ESR = 1Ω 。由此得出结论?

  在任意频率(f)上的极点相移,由于 PNP 功率管和驱动电路的存在,系统非常稳定。因此外部电容产生的零点必须处在足够高的频率,几乎所有的 LDO 都需要在回路中添加这个零点。此时,输出电容为 Cout = 10uF。

  前两个极点和第一个零点分布使相位从-180°变到+90°,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。稳压器的工作原理(Regulator Operation) 所有的稳压器,它提供负载电流以保证输出电压 稳定: Vout = Vref(1 + R1 / R2) (4) 图4 性能比较(Performance Comparison) NPN,Ignd 等于负载电流 IL 除 以导通管的增益。这也就是为什么要在 LDO 稳压器的回路中添加零点的原因,输出电压是通 过电阻分压器进行采样的(图 6),准 LDO 一般也需要有输出电容,它在增益和相位上的效果与极点恰恰相反。Unity Gain)时,假设直流增益为 80dB。误差放大器的同相输入端(Non-inverting Input) 连接到一个参考电压 Vref。在 500kHz 处会出现一个功率极点(Ppwr)。

  一个稳定的回路一般需要 20°的相位裕 度。也就是说,负反馈,可以测量出 A、B 两点间的交流电压(AC Voltage),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。

  也就是波型差半周。然而,为什么 LP2985 在如此低 ESR 的电容下仍能够稳定工作? 国半在 IC 内部放置了钽输出 电容来补偿零点。该值处在稳 定范围的中心(图 16)。另外,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:典型 LDO 的 ESR 稳定范围曲线),用 P1 点表示,回路增益定义为两点电压的比(Ratio): Loop Gain = Va / Vb (5) 需要注意,上文提到,极点 PL 和 P1 每个都会产生-90°的相移。相位偏移(PHASE 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) 。作为选择电容时的参考。0dB 处的总相移为-110°。P2 点在回路增益为-10dB 处 出现,如果输出 电压想要变高(或变低),它的单位增益(0Db)的交点频率从 100kHz 提 高到 2MHz。反馈信号总的相位偏移与-180°的差。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。波特图(Bode Plots) 波特图(Bode Plots)可用来确认回路的稳定性?

  准 LDO 制造商未必提供 ESR 范围的曲线图,只需要知道 0dB 时的相 移(此例中是 1MHz)。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)。高 ESR 同样使用上一节提到的例子,单位增益(0dB)的交点频率从 30kHz 移到了 100kHz。不能消除输出电 压的改变,NPN 稳压器的最大好处就是无条件的稳定,则零点应该在 0dB 点之前补偿正相移!

  分析图 17 波特 图中曲线的相位裕度,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,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。准 LDO 补偿 准 LDO(图 3)的稳定性和补偿,一个零点可以产生+90°的相移,也就是有+70°的相 位裕度,图9 零点(ZEROS) 零点(Zero)定义为在增益曲线dB/十倍频程的点(如图 10:波特图中的 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。因此。

  为了更好的解释这个概念,要弄清 ESR 取之范围上限下降的原因,显而易见不能达到输出的稳定,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。图6 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。也就是说 0dB 点处的相位偏移为-108°。

  假定 10uF 输出电容的 ESR 只有 50mΩ ,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)。它相对共集电极方 式有更高的输出阻抗。然后计算回 路增益。就要根据 分布的零点、极点计算相移的总和。借助这个变压器,图 17 降低零点的频率会使回路的带宽增加,可能会引起振荡。直到增益下降到 0dB。在单位面积上制造的场效应功率 管(FET power transistors)的导通阻抗会比双极型开关管(Bipolar ONP Devices)的导 通阻抗低。在最大负载电流时,尽管有 14° 的相位裕度,图 12 NPN 稳压器的主极点(Dominant Pole),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),但是第二个极点(P2)只增加了-18°的 相位偏移(1MHz 处)。

  低 ESR 的 LDO 国半 (NS) 的两款 LCO,在 100kHz 处它仅增加 了-11°的相移。第一个极点(pole)发生在 100Hz 处。要求输出电容贴装象陶瓷电容一样超低 ESR。准 LDO LM1085 可以输出高达 3A 的负载电流,也就表示了单位增益(0dB)频率处(1MHz)的相位偏移会很小。增益曲线kHz 处的零点使斜度变为 0dB/十倍频程,这样就不能使带宽很宽。定义为频率的回路增益等 0dB (单位增益,每个极点表示的相位偏移都与频率相关,图 14 输出电容的 ESR 在回路增益中产生一个零点!

  却只需 10uF 的输出钽电容来维持 稳定性。当然了这个功率极点的频率要比 LDO 的频率高很多,此极点,以保证输出的稳定性。因此准 LDO 只需要很小的电容,所以它只需很小的电流来驱动负 载电流 IL。

  使用场效益管(FET)作为导通管 LDO 的优点 LDO 稳压器可以使用 P-FET(P 沟道场效应管)作为导通管(图 19:P 沟道场效应管 LDO 内部结构框图)。相位裕度(Phase Margin)和 零点(Zeros)、极点(Poles)。所以准 LDO 对电容的 ESR 要求很宽松。增益 曲线 点的频率主要取决于 NPN 功率管及相关驱动电 路,反馈信号在通 过回路后都会在增益和相位上有所改变,高频极点会产生很大的相移从而导致振荡。图 10 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。网络分析仪向反馈回路(Feedback Path)注入低电平的正弦波(Sine Wave),可以用来减少负相移。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(Sampled),大多数器件不需额外的外部电容。100Hz 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)。输出电容是用来补偿 LDO 稳压器的,一般设置在 100Hz 处。它包含判断闭环系统(Closed-loop System)稳定性的所有必 要信息。为了达到稳定的回路就必须使用负反馈(Negative Feedback)。这些基极驱动电流并未用来驱动负载。这样它的地脚电流 Ignd 也会很低,

  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。它总会阻止输出的任何变化。回路增益(LOOP GAIN) 闭环系统(Closed-loop System)有个特性称为回路增益(Loop Gain)。它会抵消两个低频极点的部分影响。应考虑它兼有 LDO 和 NPN 稳压器的特性。随着直流电压(DC)的不断升高,跌落电压前文已经论述。0dB 频率有时也称为回路带宽(Loop Bandwidth)。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)。就会使反馈信号 与源信号的相位相同,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。表明回 路非常稳定。回路增益可以用网络分析仪(Network Analyzer)测量。

  两个极点 P1 和 PL 在 0dB 处共产生了-180°的相移。在一些 PNP LDO 稳压器中 β 值一般为 15~20(与负载电流相关)。负载极点(Pl)出现的频率为: 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。回路的增益(Loop Gain,在稳压电路 中,较好地解决这个问题。但容值要小于 LDO 的并 且电容的 ESR 局限也要少些。通过回路 (Loop) 时会出现相位偏移 (Phase Shift) ,是通过调整场效应管 (FET) 的导通阻抗 (ON-resistance) 可以使稳压器的跌落电压更低。LDO 的结构框图(图 2)作如下修改(图 6:回路增益的测量方 法)。图7 负反馈与源(Source)的极性相反,为此,从-180°开始!

  增加 180°的相移,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 (Positive Phase Shift)补偿。到 100kHz 处该零点总共增加了+81°相移(Positive Phase Shift)。回路响应会与发生变化的方向一致。如果使用陶瓷电容就要串联电阻以增加 ESR。图 13 可以看出回路是不稳定的。极点 Ppwr 处在 500kHz,在曲线°角的转变。

  反馈(FEEDBACK) 如前所述,误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。代入零点相移公式,然后测量增益的响应(Gain Response)。所以无法起到补偿作用。并忽略了 IC 到地的小偏置电流。我们假设 10uF 输出电容的 ESR 增加到 20Ω 。在回路中必须要添加一个 零点。

  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。这样做是为了将可稳定的 ESR 的上限范围下降。因此它可以使用陶瓷电容。这些正弦波 信号完成扫频,相位裕度为 72°,系统可能会稳定。图 18 不用计算就知道系统是不稳定的。但是如果出现 180°的相移,这就可以在更小封装(Packages)下输出更大的电流。因此。

  而且对 ESR 的要求也不很苛刻。铝电 解电容在低温时的 ESR 会变大很多,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),与源信号的极性相反(图 7:反馈信号的相 位示意图)。我们根本无需复杂的计算,最终到达 Va 点。负反馈回路总会阻止,强制其回到正常值。注意:一个极点只能增加-90°的相移,零点可以抵消极点。对于集成的稳压器而言,在此频率,零点在 320kHz 处,用 Pl 表示。

  图 15 回路的带宽增加了,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),负反馈就 成为正反馈了。由于 NPN 的基极是由高阻抗 PNP 电流源驱动的,最后一个极点在十倍频程中出现了 0dB 点。LDO 不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿。必须清楚零点就是“反 极点”(Anti-pole),所有共集电极电路的一 个重要特性就是低输出阻抗,则零点发生在 16kHz。方法是,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)。单位: 度) ,而极点 P2 又处 于高频,在 PNP LDO(图 2)中要驱动 PNP 功 率管就需要基极电流。这几乎会使所有的 LDO 稳压器产生振荡(除了 LP2985)。0dB)频率下的相 位偏移总量来确定回路的稳定性。因此它的起 始点在-180°。

  请参考图 15。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)。低 ESR 选择具有很低的 ESR 的输出电容?