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1、低压差稳压器工作原理低压差稳压器工作原理 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。(原文:Lin ear Regulators: Theory of Operati on and Compe nsati on )NPN 稳压器(NPN regulators)在NPN稳压器(图1：NP
2、N稳压器内部结构框图)的内部使用一个PNP管来驱动NPNOUTIHFIGURE 九 NPN REGULATOR达林顿官(NPN Darlington pass transistor)，输入输出之间存在至少1.5V2.5V的压差 (dropout voltage )。这个压差为：Vdrop = 2Vbe +Vsat (NPN 稳压器)(1)101-2.5901VOLTAGE CGMTI?GLLDO 稳压器(LDO regulators)在LDO(Low Dropout)稳压器(图2： LDO稳压器内部结构框图)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(
3、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：Vdrop = Vsat (LDO 稳压器)(2)VOUTFIGURE 2. PNP LDO REGULATOR101 23902VOLTAGE CONTROL准 LDO 稳压器( Quasi-LDO regulators)准LDO (Quasi-LDO)稳压器(图3：准LDO稳压器内部结构框图)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
4、压降介于 NPN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(In verti ng In put)的分压电 阻(Resistive 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内部的带隙参考源(Bandgap Referenee)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：
5、Vout = Vref(1 + R1 / R2)(4)性能比较(Performance Comparison)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(Ground Pin Current)。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 (参见图4),并忽略了 IC到地的小偏置电流。那么，lgnd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
6、，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0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(Loop Ban dwidth )及提供一些正相位转移(Positive Phase Shift)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
7、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( Bode Plots)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)的函数(图5：典型的波特图)。回路增益及其相关内容在下节介绍。 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
8、(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)。10100- It 10k naot 1IW 1DDMFPCflurNtr 诃z10123805FIGURE 5. TYPICAL BODE PLOT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 Ga in),相位裕度(Phase Marg in ) 和零点(Zeros )、极点(Poles)。回路增益( LOOP GAIN)闭环系统(Closed-loop System)有个特
9、性称为回路增益(Loop Gai n)。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)。BFIGURE 6. LOOP GAIN EXAMPLE10123906INJECT I SIGNAL J 6D!IC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” (modula
10、te)反馈信号。可以测量出A、B两点间的交流电压(AC Voltage)，然后计算回路增益。回路增益定义为两点电压的比(Ratio):Loop Gain = Va / Vb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
11、放大器将会调整输出到导通管(Pass Tra nsistor) 的输出电流以保持直流电压(DC Valtage)的稳定输出。为了达到稳定的回路就必须使用负反馈(Negative Feedback )。负反馈，有时亦称为 改变极性的反馈(dege nerative feedback)，与源信号的极性相反(图7：反馈信号的相位 示意图)。SOURCEFEED&ACK-kJNEGATIVE FEEDBACK前曲怔一POSITIVE -EEDBACK10123&O7FIGURE 7 FEEDBACK SIGNALS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
12、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(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。 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(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)
13、 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 Marg in,单位：度），定义为频率的回路增益等OdB （单位增益， Unity Gain）时，反馈信号总的相位偏移与一180。的差。一个稳定的回路一般需要20啲相 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
14、为增益曲线（Gain curve）中斜度（Slope）为一20dB/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 x（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到一90 （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：一个极点只能增加一90的相移，所以最少需要两个极点来到达一180（不稳定点）。090ISlope- -2QdE/dwFIGURE 0 POLE GAIN/PHASE PLOTFRLQUNCY(H=)loiasaoaPh-aairchnIp/100
15、fp/10- fp- lOfp lttflfp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。FIGURE 10. ZERO GAIN/PHASE PLOTFREQUENCY10123910$l3pe=+2Qd0/decEbp、/PlisseShilt - arctan (f/fz)厂fc/100 fi/10 fE 10fa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。10060a203
