LDO稳压器等效串联电阻的稳定范围

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1、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。LDO 稳压器 ac 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 ll(RESR

2、+1 / SCo)H 1 / SCo (1)=R12p(1+SRESRCo) /S2R12pRESRCb+S(R12p+RESR)Co+R12pCb+1式中R12p=Rds II (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(Rds II RESR)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( Rds+RESR) Co=-1 (4)所以fpo=-l / 2n (Rds+RESR)Co-l / 2n

3、RdsCo (因为 RRESR)(5)从方程 3 求得第 2 极点：Pb； S(Rds II RESR)Cb=-1 (6)所以fpb=-1 / 2n (Rds II RESRCb)-1 / 2n RESRCb (7)零点是：ZESR； SRESR Co=-1 (8)所以 fz(ESR)=-1 / 2n RESRCo (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 / 2n RdsCoIL / 2n VACo (10)Pb1 / 2n RESRCb (11)Pa1 / 2n RparCpar (12)ZESR1 /

4、 2n RESRCo (13)式中：RDsVA /IL, VA=1/入（MOS器件），入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。ESR 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，线性稳压器是不稳定的，这是因为 在1增益频率（UGF）相移为-180 （即

5、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0.10和8Q之间。钽电解、铝电解和多层陶瓷电容器都能 满足ESR要求。