LDO稳压器等效串联电阻的稳定范围

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1、LDO 稳压器等效串联电阻的稳定范围稳压器等效串联电阻的稳定范围本文研究 LDO 稳压器等效串联电阻（ESR）值的稳定范围。用 LDO 稳压器 ac 模式讨论 LDO 频率响应。检验稳定和非稳定 ESR 范围。LDOLDO 稳压器稳压器 acac 模式模式图 1 示出 PMOS LDO 稳压器的主要元件。LDO 稳压器可分为 4 个独立功能块：通过元件，基准，取样电阻器和误差放大器。误差放大器用带电容器 Cpar 和电阻器 Rpar 负载的跨导 ga 模拟。寄生参量（Cpar,Rpar）表示误差放大器的输出阻抗和串联通过元件的输入阻抗。串联通过元件（PMOS 晶体管）用跨导 gp 小信号模式模

2、拟。增加一个输出电容器 Co（等效串联电阻 RESR）和旁路电容器 Cb。从图 1 可得输出阻抗:Zo=R12P（RESR+1 / SCo）1 / SCo (1)=R12p(1+SRESRCo) / S2R12pRESRCb+S(R12p+RESR)Co+R12pCb+1式中R12p=Rds(R1+R2)Rds (2)通常，输出电容器值 Co 远远大于旁路电容器 Cb。因此，输出阻抗 Zo近似表示为：ZoRds(1+SRESRCo) / 1+S(Rds+RESR)Co+1+S(RdsRESR)Cb (3)从方程（3），得到稳压器总开环传递函数一部分，求得零点和极点。第 1 极点是：Po；S（R

3、ds+RESR）Co=-1 (4) 所以fpo=-1 / 2(Rds+RESR)Co-1 / 2RdsCo（因为 RRESR） （5）从方程 3 求得第 2 极点：Pb；S(RdsRESR)Cb=-1 (6)所以fpb=-1 / 2(RdsRESRCb)-1 / 2RESRCb (7)零点是：ZESR；SRESR Co=-1 (8)所以 fz(ESR)=-1 / 2RESRCo (9)另外，通过元件输入阻抗（即放大器输出阻抗 Rpar，CPAR）存在另外极点。LDO 稳压器近似的极点和零点由下式给出：Po1 / 2RdsCoIL / 2VACo (10)Pb1 / 2RESRCb (11) P

4、a1 / 2RparCpar (12)ZESR1 / 2RESRCo (13)式中：RDsVA /IL，VA=1/（MOS 器件）， 是沟道长度调制参量。极点 Pa 只在通过器件的输入采用，在器件的输出不用。根据所获得的极点和零点，得到 LDO 稳压器典型的频率响应，见图 2。极点 Po依赖于负载电流。当低负载电流时，极点响应发生在相当低的频率，因此，降低相位容限。最坏稳定性出现在 ESR 极限值和低负载电流时。ESRESR 稳定范围稳定范围LDO 稳压器需要一个输出电容器（具有输出等效串联电阻器）来稳定控制环路。如图 3 所示，如果不补偿，LDO 具有两个导致不稳定性的极点。显然，线性稳压器

5、是不稳定的，这是因为在 1增益频率（UGF）相移为-180（即相位容限=0），这是由于在低频两个极点（Po,Pa）影响所致。为使稳压器稳定，必须增加零点，零点将消除两个极点之一的相位影响。输出电容器 ESR 或补偿串联电阻器（CSR）用于零点。图 4示出 ESR（或 CSR）零点如何稳定控制环路。由 ESR 产生的零点在 UGF 前定位，这样在 UGF1 的相位容限将大于 0。因此，线性稳压器变为稳定。为了系统的稳定性，控制环路在 UGF 的相位容限应大于 0。ESR 值应保持在决定环路稳定的范围。在大多数情况下，LDO 稳压器具有最小/最大 ESR 值。从方程11 和 13 可见，ESR 决

6、定零点 Zesr 和极点 Pb。当 ESR 改变时，Zesr 和 Pb 上/下漂移，影响环路稳定性。图 5 示出 ESR 太大时 LDO 不稳定的频率响应，图 6 示出 ESR 太小时 LDO 不稳定的频率响应。在这两种情况下在 UGF 处的相位容限小于或等于 0，导致系统不稳定。图 5 和图 6示出 Zers 的稳定范围。由于 ESR 可导致不稳定性，所以 LDO 制造商一般提供表示 ESR 值稳定范围的图解。图 7 示出相对于输出电流的 ESR 值典型范围（TPS76933 3.3VLDO 稳压器）。此曲线称之为“死亡隧道“（“Tunnel of Death“）。此曲线示出 ESR 必须在 0.1 和 8 之间。钽电解、铝电解和多层陶瓷电容器都能满足 ESR 要求。