LDO工作原理详解

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(NPN 稳压器)
调整管
• 准LDO 稳压器(Quasi-LDO regulators)
另一种广泛应用于某些场合是准LDO(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: Vdrop=Vbe +Vsat
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。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。在LDO稳压 器的回路中添加零点可 以抵消极点。
流的消耗比较苛刻的话,最好是采用 MOS管作为调整管的LDO
待机电流
• 待机电流是指带有使能信号的LDO,当该 信号关闭的时候LDO消耗的电流。参考电 压和误差放大器同样也处于不供电的状态 。可以进一步减小功耗。
LDO频率响应
1
f p1 2 ROCO
1
f 2 R C fp3
1
2 Rpoa2Cpar
ESR b
fz
1
2 RESRCO
LDO主要参数
• 压差 • 静态电流 • 待机电流 • 瞬态响应 • 线性调整率 • 负载调整率 • 电源抑制比 • 精度 • 功耗
压差
• 压差是LDO线性稳压器最重要的参数,它是指系 统能够调节地,使输出稳定在期望输出的最小输 入电压和输出电压值差,也就是说这个输入电压 将是系统能够调整地最小输入电压,比这更小的 电压,输入与输出将成线性关系下降,这一临界 输入电压值去期望输出值所得的结果,就是LD O线性稳压器的压差电压。
比较 电路
R 2
VREF
DC-DC
Step
Down VVoouutt
“BuVcink” 1VinDgD
Converter
VVoouutt VVinin
Step UP “Boost” Converter
Vout
Vin 1 D
Vout Vin
Step Up / Step Down “Buck -VVVBooouuuottt osV1Vt1Vi”nininDCgDDonverter
PMOS的漏端与负载并联使得输出端是一个 高阻抗节点,LDO的输出阻抗大且受负载电 阻影响。输出端会给系统引入一个位于低频 段的极点,为系统的稳定性带来影响。
分立元件搭的LDO
LDO工作原理
基准电压
误加差三放极大管或MOS 起扩流作用
4.24V
VGS=2.46V
为什么不直接使用运放?
1.一般的调运放整输元出电件压比电源
Charge pump (inductor less DC-DC) DC-DC (inductor)
Charge pump(电荷泵)
• 原理
VIN
Cin
SHDN
CONTROL / CLOCK
S1
S3
S2
S4
GND
C+
Cfly
CVOUT
Cout
倍压电荷泵示意图 (Vout = 2 x Vin)
倍压电荷泵
VREF VBE KVT
K=2.2/0.085=23.5,在 理论实现零温度系数
VREF 0.65 0.026 23.5 1.26V
由于该电压等于硅的带隙电压(外推到绝对温度), 所以这类基准电路也叫“带隙”基准电路。
注:实际上利用的不是带隙电压,有些Bandgap结构输出电压与带隙电压也不一致
• 引入反馈的电路必须考虑回路稳定性问题。 负反馈越深,也容易自激振荡。为了提高放 大器在深度负反馈条件下的工作稳定性,一 般采用的消振方法为频率补偿(相位补偿)
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)引起的 相移都是在十倍频程范围内。
id VDD
d
s
R
VO
Vi Vo
Vg Vo ↓
取样后接入正 端形成负反馈
调整管工作原理
ID/mA
400
3.0V 2.9V
P3 2.7V
300
2.8V
200
1.LDO正常工作在点P1
2. 负载电阻降低,输出电流增大, 输出电压Vo降低,VGS增大,VDS 增大,工作点移动到P2
100
0 0
0.4 0.8
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线性电源
开关电源
• 优点 外围器件少,PCB面 积小,花费少 无开关噪声,纹波小
• 缺点 降压输出 效率低,功耗大
优点 可升压、可降压 效率高,功耗小
缺点 设计更复杂,外围器 件多,花费也较高 输出纹波大
线性稳压器原理框图
+
调整元件
Ui
误差放大


UL
-
基准电压


• 调整元件 • 基准电压源 • 误差放大器 • 反馈网络(取样电路)
带 隙 基 准 原 理 图
VREF
n
R2 R1
ln m VT
VEB3
误差放大器
• 误差放大一般采 用三级结构,与 集成运放相似
• 差分输入级提电 路共模抑制比,并且输入电阻很大
• 电压放大级进一步提高电路增益 • 输出级一般除了提高电路增益外,最主要的作
用是提高输出摆幅,最大可能的减小输出电阻 • 偏置电路为电路的三部分提供合适的静态工作
电源小2——3V(轨到轨运放输 出电压可接近电源电压)
2输.运出VD放电S=带流1.负1520载V几能毫力安很,弱大,的一也般就 100m1A.7左8V右,而且贵
+1+.18.V8V_L_LDDOO
取样电路
可以看成一个带负 载能力很强(输出 大电流)的运放
取样后接入负 端形成负反馈
共漏放大
g Vi
2.6V
P2
2P.45V
P1
P5
2.4V
VGS=2.3V
1.2 1.6 2.0 VDS/V
3. 反馈电压降低,放大器输出(VG)增大
4. 共源放大,0<AV<1。VS(VO)增大,VGS 增大,VDS减小,ID增大。工作点移到P3
5. VF与VREF之差趋于0,个系统恢复了平
LDO频率补偿
• 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。
Vin Vout Vin
Q1 Vin+
Cin
Vin-
L1 Vin+
Cin
VinVin+
Cin Vin-
Q1 D1
L1 D1
V o ut + Cout
D1 Q1
V o ut V o ut + Cout
V o ut -
L1
D1
V o ut +
Q2
Cout
V o ut -
线性电源、开关电源 哪个更好??
带启动电路的自偏置
电路开始上电,由于上半部分镜 像电流源处于零电流状态,节 点1处于高电位,同样下半部分 也处于零电流状态,节点3处于 低电位,MP1导通,2节点电位 被拉高,MN1导通,这样节点1 被拉低,说明镜像电流源中的 管子导通,有电流流过偏置
电路,电流持续上升,当到达工作点B时,节点3被拉 高,将MP1关断,节点2电位下降,直到MN1关断, 这样启动电路完全脱离偏置电路,偏置电路稳定的工 作在工作点B处。
LDO原理与应用
田毅
内容
• 电压调节器分类 • Charge pump (inductor less DC-DC) • DC-DC (inductor) • 线性电源 • LDO原理介绍 • LDO参数 • 具体实例
电压调节器分类
• 线性电源 传统线性电源 低压差线性电源(LDO)
• 开关类电源
工作过程1: 对电容CFLY充电
I
VIN
+
- CIN S2
S1
S4
S3
+ CFLY
-
VOUT COUT
过程1等效电路:
VIN
+
+
CIN
CFLY
工作过程2: 倍压输出
I VIN
CIN
S2
S1
S4
S3
+ - CFLY
VOUT + - COUT
过程2等效电路:
+
VOUT
- CFLY
+
VIN
+
COUT -
CIN -
可调电压电荷泵
工作原理:
VIN
Cin
SHDN
CONTROL
S1
S3
C+ • 通过反馈控制 Cfly 电容Cfly的充
S2
S4
C-
放电时间,实
VOUT
VREF
现调节输出电
Cout
+
压的目的
-
GND
DC-DC (inductor)
• 原理框图
电子 V’O 整流滤
VO
开关
波电路
VIN
占空比控
制电路
R 1
电流(提供给误差放大器、基准电压源和采样电 阻)与调整管的驱动电流组成,可以表示为
IQ=Iin-Io
对于双级型晶体管,静态 电流随着负载电流成比例 的增加,因为双级型晶体 管是电流驱动器件
对于MOS管,静态电流很 小,几乎不随负载的变化 而变化,几乎是一个恒定 值,因为MOS管是电压驱 动器件
PNP LDO的地脚电流会比较高。在 满载时,PNP管的β值一般是15~20。 也就是说LDO的地脚电流一般达到负 载电流的7% 。达林管和准LDO的静 态电流较小。在应用中如果对静态电
调整管
• LDO 稳压器(LDO regulators)
由 P沟道 MOS管构成的 PMOS 超低压差线性 稳压器(VLDO),其压差可降至 100mV左右。 由 N沟道 MOS管构成的NMOSVLDO,其压差 压差可低至几十毫伏。 Vdrop = R I DS(ON) O
5种结构比较
• 三极管电流驱动、MOS管电压驱动 • 三极管静态损耗大,MOS管静态损耗很小 • 双极性管子由于其电流增益比较大,可以
为负载提供相当大的电流,MOS管提供的 电流相对较小
• NMOS的源端与负载并联使得输出端是一个 低阻抗节点,LDO的输出阻抗比较小且受负 载波动的影响弱,输出端上的极点处在高频 区域。但为了导通NMOS管,G端至少比S 端高一个阈值电压,一般情况0.7V。如果 所要求的压降幅度比较小,那么不得不考虑 另外设计升压电路电荷泵来提高NMOS的G 端电位,电路因此会变复杂。
德州仪器(TI)电压差定义为输 出电压较其标称值跌落2%的输 入、输出电压的差值.其它的如, 美信(Maxim),圣邦微电子 (SGMC)电压差定义为输出电压 较其标称值小于100mV时的输 入、输出电压的差值
静态电流
• 静态电流定义为输入输出电流之差,它反映了 LDO内部电路的功率消耗,静态电流主要由偏置
用分立元件搭的LDO
误差放大
调整元件
基准电压 取样电路
工作 原理
• 电路开始启动,恒流源电路给整个电路提供偏置,基准源电 压快速建立
• 输出随着输入不断上升,输出达到规定值 • 误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进
行放大,再经调整管放大到输出,从而形成负反馈,保证了 输出电压稳定 • 输入电压变化或输出电流变化,这个闭环回路将使输出电压 保持不变
利用硅能带与价带之间的禁带带隙能量作 为基准,因为这个能量几乎是不变的,即 通常所说的带隙基准电压源。稳定的基准 电压源要求要有不随电压源电压变化的电 流偏置电路。一般的偏置电路需要一个启 动电路
VBE
带隙基准电压源
pn结二极管产生电压VBE, 温度系数为-2.0mV/℃; 热电压VT=KT/q,温度系 数为+0.085mV/℃。
调整管
• LDO 稳压器(LDO regulators)
在LDO(Low Dropout)稳压器中,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,满载的 跌落电压的典型值小于 500mV,轻载时的压降 仅有10~20mV。LDO 的压差为: Vdrop = Vsat
点偏置。
调整管
• NPN 稳压器(NPN regulators) 在NPN稳压器的内部使用一个 PNP管来驱动 NPN 达林顿管(NPN Darlington pass transistor),输入输 出之间存在至少1.5V~ 2.5V的压差(dropout voltage)。这个压差为: Vdrop = 2Vbe +Vsat
VOUT=(R1+R2)/R2 * Vref
集成LDO结构图
齐纳二极管或 带隙基准源
传统线性稳压 器调整管
达林顿管 PNP管 PMOS NMOS
实际电路比原理框图多 了启动电路和保护电路
过流保护
热保护
一些复杂的LDO还会 加过压保护、欠压保 护、反接保护等
基准电压源
• 对输出电压影响最大 • 稳定性好,低温漂,高精度,内阻小 • 带隙基准电压源
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