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LDO低压差稳压器工作原理

时间:2012-11-03  来源:123485.com  作者:9stone

           
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)。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。
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100Hz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 = -arctan(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。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)。在P2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-10dB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),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 / (2π × Rload × 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5V/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。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)。
 
      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(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。

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