LDO稳压器工作原理详细分析

LDO稳压器工作原理详细分析随着便携式设备（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。

NPN 稳压器（NPN regulators）在NPN稳压器（图1：NPN稳压器内部结构框图）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（NPN 稳压器）（1）LDO 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（Full-load）的跌落电压的典型值小于500mV，轻载（Light loads）时的压降仅有10～20mV。

LDO的压差为：Vdrop ＝ Vsat （LDO 稳压器）（2）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，它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO之间：Vdrop ＝ Vbe ＋Vsat （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（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 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 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，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%。

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 Bandwidth）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（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（Phase Margin）和零点（Zeros）、极点（Poles）。

回路增益（LOOP GAIN）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 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 （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（degenerative feedback），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（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）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 Margin，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）引起的相移都是在十倍频程范围内。

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，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（Loop Bandwidth）。

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）。