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LDO穩(wěn)壓管的工作原理


  來(lái)源: 電子工程世界 時(shí)間:2019-02-14 編輯:思楊
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2.LDO穩(wěn)壓管


例如:S-1167 Series


3.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)

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