2.LDO稳压管
例如:S-1167 Series
3.准LDO稳压器
三种稳压器的最大区别在于压降和接地引脚电流。很明显NPN和准LDO的稳压管在调整管上稍微复杂点,所以压降也大些。达林管的增益很高,所以只需要很小的电流就可以驱动,准LDO也是这样,IGND很小。PNP管的放大系数一般是15-20,LDO的IGND电流能达到负载电流的7%。 NPN稳压管的最大好处就是无条件的稳定(大多数不需要加外接电容),LDO则需要在输出端加上电容,以减少回路带宽及提供些正的相位补偿。
所有的稳压器都使用负反馈回路以保持输出电压的稳定。但反馈信号在通过回路后都有一定的增益和相位变化。如果反馈信号相位有180度变化,负反馈就会变成正反馈,造成输出不稳定。因此反馈信号经过整个回路的相位偏移,需要有至少20度的相位裕度,这样才能保证电路的稳定。(相位裕度定义为回路总的相位偏移与-180度的差)
环路的不稳定来自于相位移量,我们可以在反馈回路中通过变压器注入正弦小信号,如下图所示,Loop Gain=Va/Vb,从Vb传入交流小信号,同过回路产生相移到达Va。这样可以计算回路增益,相位的偏移量。(此处以LDO分析)
可以通过网络分析仪来测量回路增益,它通过向网络回路注入低电平的正弦波,然后从直流信号扫描到使增益下降到0dB的频率来测量增益的响应。
下面以一幅波特图具体分析反馈回路的增益及相位变化情况。
概念:
极点 增益曲线出现-20dB/10倍频变化的点
零点 在增益与相位上的效果与极点相反。
极点相移=-arctan(f/fp)
零点相移=arctan(f/fz)
假设直流增益为80dB(10-100Hz处的增益),100到1KHz增益减少了20dB,10K-100KHz增益减少20dB,100K-1MHz增益减少40dB(斜率有-20dB/10倍频的变化)。图中可以看出有3个POLE,一个ZERO。1MHz处的增益是0dB,说明1MHz的小信号在此截止,此回路的带宽就是1MHz。
从这个波特图能看出这个系统稳定么?前面说了系统是否稳定主要看相位移量,而我们只要看在0dB时的相移就可以了(图中是1MHz)。
上图中有3个极点和1个零点,前两个极点产生-180度相移,零点产生90度相移,最后一个极点在40dB到0dB处,斜率为-40dB/10倍频。根据极点相移公式-arctan(f/fp)=-arctan(10)=-1.47,换算成角度为-84.3度。所以总的相移为-180+90-84.3=174.2度。前面说到相位裕度等于|-180+174.2|=5.8<20.所以此回路不稳定。
看似上面的分析比较复杂,其实是自动控制理论里面的传输函数和根迹图的概念.简单的说,一个(线形)系统是否稳定(不会产生振荡)取决于它的传输函数的极点分布.(极点的实部必须小于零),而且极点实部负数的绝对值越大,系统越稳定.我们就可以通过增加极点或是零点来调节相位裕度,从而使系统达到稳定。
调节LDO系统的稳定性,最常见的补偿方法是在系统中插入零点来取消相移和极点。由于 LDO 已经就正常运行要求了一个输出电容器,因此使用输出电容器的ESR通常就是最简单也最廉价的生成零点的方法。等效串联电阻(ESR)是每个电容都具有的几个基本特性。可以看为电阻和电容的串联等效电路。
输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点,用来减少过量的负相移。增加系统的带宽,使更稳定。零点处的频值:
Fzero = 1/(2πxCoutxESR)