详细分析LDO的工作原理

在过去的十年中，随着设备（电池供电）的快速发展，诸如原始行业标准LM340和LM317之类的稳压设备已无法满足新的需求. 这些调节器使用NPN达林顿管，在本文中称为NPN调节器. 新型低压降（LDO）稳压器和准LDO稳压器（quasi-LDO）有望实现更高性能的电压调节器.

NPN调节器（NPN调节器）

在NPN调节器中（图1: NPN调节器内部结构框图），使用PNP管驱动NPN达林顿传输晶体管，输入和输出V压差电压（压差）之间至少有1.5V至2.5V电压）. 该压力差为:

Vdrop = 2Vbe + Vsat（NPN调节器）（1）

图1

LDO调节器（LDO调节器）

在LDO（低压降）调节器中（图2: LDO调节器内部结构框图），传导管是PNP管. LDO的最大优点是PNP管只会带来很小的导通压降. 满载压降的典型值小于500mV，轻载时的压降仅为10-20mV. LDO的压差为:

Vdrop = Vsat（LDO稳压器）（2）

图2

准LDO稳压器（准LDO稳压器）

Quasi-LDO（Quasi-LDO）调节器（图3: Quasi-LDO调节器内部结构框图）已在某些场合被广泛使用，例如: 5V至3.3V转换器. 准LDO在NPN稳压器和LDO稳压器之间命名. 传导管是单个PNP管，用于驱动单个NPN管. 因此，其下降电压在NPN稳压器和LDO之间:

Vdrop = Vbe + Vsat（3）

图3

调节器操作

所有稳压器都使用相同的技术来稳定输出电压（图4: 稳压器的工作原理图）. 输出电压通过连接到误差放大器反相输入的电阻分压器采样. 误差放大器的同相输入连接到参考电压Vref. 基准电压由IC内部的带隙基准产生. 误差放大器总是试图迫使其输入相等. 为此，它提供负载电流以确保输出电压稳定:

Vout = Vref（1 + R1 / R2）（4）

图4

性能比较

NPN，LDO和准LDO之间在电气性能参数上的最大差异是: 压差电压和接地引脚电流. 电压降已在前面讨论过. 为了便于分析，我们将接地电流定义为Ignd（参见图4），而忽略了从IC到地面的小偏置电流. 然后，Ignd等于负载电流IL除以传导管的增益.

在NPN稳压器中，达林顿管的增益很高（高增益），因此它只需要很小的电流即可驱动负载电流IL. 这样，其接地电流Ignd也将非常低，通常只有几个mA. 准LDO也具有更好的性能. 例如，National Half（NS）的LM1085可以输出3A，但只能输出10mA的接地电流.

但是，LDO的接地电流将相对较高. 满载时，PNP管的β值通常为15-20. 换句话说，LDO的接地电流通常达到负载电流的7％.

NPN调节器的最大好处是无条件的稳定性. 大多数设备不需要额外的外部电容器. LDO在输出端至少需要一个外部电容器以减小环路带宽并提供一些正相移（Positive Phase Shift）补偿. 准LDO通常还需要一个输出电容器，但其电容值小于LDO的电容，并且电容器的ESR限制也较小.

反馈和循环稳定性

所有调节器均使用反馈环路来保持输出电压稳定. 反馈信号在通过环路后将改变增益和相位. 环路的稳定性取决于单位增益（单位增益，0dB）频率下的相移总量.

波德图（Bode Plots）

波德图可用于确认回路的稳定性. 环路增益（单位: dB）是频率的函数（图5: 典型波特图）. 下一部分将介绍环路增益和相关内容. 可以使用网络（Network Analyzer）测量环路增益. 网络将低电平正弦波（正弦波）注入到反馈路径（反馈路径）中. 随着直流电压（DC）的持续升高，这些正弦波信号完成了频率扫描，直到增益降至0 dB. 然后测量增益响应.

图5

波德图是一个非常方便的工具，它包含判断闭环系统稳定性的所有必要信息. 包括以下关键参数: 环路增益（环路增益），相位裕度（相位裕度）和零（零），磁极（极）.

LOOP GAIN

闭环系统具有称为环路增益的特性. 在电压调节器电路中，环路增益定义为反馈信号（反馈信号）通过整个环路后的电压增益（电压增益）. 为了更好地解释这个概念，对LDO的（图2）进行了如下修改（图6: 环路增益测量方法）.

图6

变压器（变压器）用于将交流信号（交流信号）注入到点“ A”和“ B”之间的反馈环路中. 使用该变压器，可使用小信号正弦波来“调制”反馈信号. 您可以测量点A和点B之间的交流电压（交流电压），然后计算环路增益. 环路增益定义为两点电压之比（比率）: 环路增益= Va / Vb（5）

应注意，从Vb点传输的信号在通过环路时会发生相移（Phase Shift），最终到达Va点. 相移（Phase Shift）决定了环路的稳定性（Stability）.

反馈（FEEDBACK）

如前所述，所有稳压器均使用反馈来稳定输出电压. 输出电压由一个电阻分压器采样（图6），分压后的信号反馈到误差放大器的一个输入端子. 误差放大器的另一个输入端子连接到参考电压. 电子管（通过晶体管）的输出电流可保持稳定的直流电压（DC电压）输出.

必须使用负反馈才能实现稳定的环路. 负反馈有时也称为退化反馈，与源信号的极性相反（图7: 反馈信号的相位图）.

图7

负反馈与电源的极性相反. 它总是防止输出发生任何变化. 也就是说，如果输出电压想要升高（或降低）ldo稳压器工作原理，则负反馈环路将始终阻止并迫使其返回到正常值.

正反馈是指当反馈信号和源信号具有相同极性时发生的反馈. 此时，回路响应将与变化方向一致. 显然ldo稳压器工作原理，不能实现输出的稳定性，不能消除输出电压的变化，但变化趋势会增大.

当然，没有人会性稳压器中使用正反馈. 但是，如果发生180°相移，则负反馈变为正反馈.

相移

相移是反馈信号经过整个环路后的相变总和（相对于起始点）. 通常使用网络测量以度表示的相移. 理想的负反馈信号与源信号的相位差为180°（请参见图8: 相移），因此其起始点为-180°. 在图7中，您可以看到180°的偏移量，这是波形差的半个周期.

图8

可以看出，从-180°开始，相移增加180°，信号相位恢复为零度，这将使反馈信号和源信号处于同一相位，从而使环路不稳定

阶段保证金

相位裕度（单位: 度），定义为频率的环路增益等. 0dB（单位增益，单位增益），即反馈信号的总相位偏移与-180°之间的差. 稳定的环路通常需要20°的相位裕度.

相移和相裕度可以通过伯德图中的零和极点来计算.

波兰人

极点定义为增益曲线的斜率是-20dB /十进制的点（图9: 波特图中的极点）. 每次增加一个极点，斜率就会增加20dB /倍频程. 增加n极n×（-20dB /十倍）. 每个极点指示的相移与频率相关，并且相移从0到-90°（增加极点会增加相移）. 最重要的一点是，几乎所有由极点（或零点）引起的相移都在十倍频程范围内.

注意: 一个极只能增加-90°的相移，因此至少需要两个极才能达到-180°（不稳定点）.

图9

零（ZEROS）

零点定义为增益曲线中斜率为+ 20dB /倍频程的点（如图10所示: 波特图中的零点）. 零点产生的相移为0到+ 90°，曲线上有+ 45°角的过渡. 必须清楚，零点是“反极点”，其对增益和相位的影响与极点正好相反. 这就是为什么将零点添加到LDO稳压器的环路. 零点可以抵消极点.

图10

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