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1、word线性稳压器的工作原理及比较摘要 随着便携式设备（电池供电）在过去十年间的快速增长，象原来的业界标准 LM340 和 LM317 这样的稳压器件已经无法满足新的需要。这些稳压器使用NPN达林顿管，在本文中称其为NPN稳压器（NPN regulators）。预期更高性能的稳压器件已经由新型的低压差（Low-dropout）稳压器（LDO）和准LDO稳压器（quasi-LDO）实现了。关键词NPN稳压器 LDO稳压器准LDO稳压器波特图零点极点NPN稳压器（NPN regulators） 在NPN稳压器（图1：NPN稳压器部结构框图）的部使用一个 PNP管来驱动 NPN 达林顿管（NPN D
2、arlington pass transistor），输入输出之间存在至少1.5V2.5V的压差（dropoutvoltage）。这个压差为： Vdrop2VbeVsat（NPN稳压器）（1）LDO稳压器（LDO regulators） 在LDO(Low Dropout)稳压器（图2：LDO稳压器部结构框图）中，导通管是一个PNP管。LDO的最大优势就是PNP管只会带来很小的导通压降，满载（Full-load）的跌落电压的典型值小于500mV，轻载（Light loads）时的压降仅有1020mV。LDO的压差为：VdropVsat（LDO稳压器）（2）准LDO稳压器（Quasi-LDO re
3、gulators） 准LDO（Quasi-LDO）稳压器（图3：准 LDO 稳压器部结构框图）已经广泛应用于某些场合，例如：5V到3.3V 转换器。准LDO介于 NPN 稳压器和 LDO 稳压器之间而得名，导通管是由单个PNP 管来驱动单个NPN 管。因此，它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO之间： VdropVbeVsat（3）稳压器的工作原理（Regulator Operation） 所有的稳压器，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）。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（Resist
4、ive Divider）采样（Sampled），误差放大器的同相输入端（Non-inverting Input）连接到一个参考电压Vref。参考电压由IC部的带隙参考源(Bandgap Reference)产生。误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。为此，它提供负载电流以保证输出电压稳定： Vout=Vref(1 + R1 / R2) （4）性能比较(Performance parison) NPN，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（GroundPinCurrent）。跌落电压前文已经论述。为了便于分析，我们定义地脚电流为Ignd
5、（参见图4），并忽略了IC到地的小偏置电流。那么，Ignd等于负载电流IL除以导通管的增益。 NPN 稳压器中，达林顿管的增益很高（High Gain），所以它只需很小的电流来驱动负载电流IL。这样它的地脚电流Ignd也会很低，一般只有几个mA。准LDO也有较好的性能，如国半（NS）的LM1085能够输出3A的电流却只有10mA的地脚电流。 然而，LDO的地脚电流会比较高。在满载时，PNP管的值一般是1520。也就是说LDO的地脚电流一般达到负载电流的7%。 NPN稳压器的最大好处就是无条件的稳定，大多数器件不需额外的外部电容。 LDO在输出端最少需要一个外部电容以减少回路带宽（LoopBan
6、dwidth）及提供一些正相位转移（PositivePhaseShift）补偿。准LDO一般也需要有输出电容，但容值要小于LDO的并且电容的ESR局限也要少些。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。反馈信号在通过回路后都会在增益和相位上有所改变，通过在单位增益（Unity Gain，0dB）频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。波特图（BodePlots）波特图(Bode Plots)可用来确认回路的稳定性，回路的增益（Loop Gain，单位：dB）是频率（Frequency）
7、的函数（图5：典型的波特图）。回路增益及其相关容在下节介绍。回路增益可以用网络分析仪（Network Analyzer）测量。网络分析仪向反馈回路(Feedback Path)注入低电平的正弦波(Sine Wave)，随着直流电压（DC）的不断升高，这些正弦波信号完成扫频，直到增益下降到0dB。然后测量增益的响应（Gain Response）。 波特图是很方便的工具，它包含判断闭环系统（Closed-loop System）稳定性的所有必要信息。包括下面几个关键参数：环路增益（Loop Gain），相位裕度（PhaseMargin）和零点（Zeros）、极点（Poles）。回路增益（LOOPG
8、AIN） 闭环系统（Closed-loop System）有个特性称为回路增益（Loop Gain）。在稳压电路中，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）。为了更好的解释这个概念，LDO的结构框图（图2）作如下修改（图6：回路增益的测量方法）。 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。借助这个变压器，用小信号正弦波（Small-signal Sine Wave）来“调制”（modulate）反馈信号。可以测量出A、B两点间的交流电压（AC Vol
9、tage），然后计算回路增益。回路增益定义为两点电压的比（Ratio）：LoopGainVa / Vb（5）需要注意，从Vb点开始传输的信号，通过回路（Loop）时会出现相位偏移（Phase Shift），最终到达Va点。相位偏移（Phase Shift）的多少决定了回路的稳定程度（Stability）。反馈（FEEDBACK） 如前所述，所有的稳压器都采用反馈（Feedback）以使输出电压稳定。输出电压是通过电阻分压器进行采样的（图6），并且该分压信号反馈到误差放大器的一个输入端，误差放大器的另一个输入端接参考电压，误差放大器将会调整输出到导通管（Pass Transistor）的输出电流
10、以保持直流电压（DC Valtage）的稳定输出。 为了达到稳定的回路就必须使用负反馈（NegativeFeedback）。负反馈，有时亦称为改变极性的反馈（degenerativefeedback），与源信号的极性相反（图7：反馈信号的相位示意图）。 负反馈与源(Source)的极性相反，它总会阻止输出的任何变化。也就是说，如果输出电压想要变高（或变低），负反馈回路总会阻止，强制其回到正常值。 正反馈（PositiveFeedback）是指当反馈信号与源信号有相同的极性时就发生的反馈。此时，回路响应会与发生变化的方向一致。显而易见不能达到输出的稳定，不能消除输出电压的改变，反而将变化趋势扩大
11、了。 当然，不会有人在线性稳压器件中使用正反馈。但是如果出现180的相移，负反馈就成为正反馈了。相位偏移（PHASESHIFT） 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（networkanalyzer）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
12、MARGIN）相位裕度（PhaseMargin，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
13、的相移都是在十倍频程围。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，
14、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（LoopBandwidth）。 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
