您的位置:控制工程论坛网论坛 » 电机与运动控制 » 线性稳压器件工作原理及补偿

常青树

常青树   |   当前状态:在线

总积分:1421  2025年可用积分:0

注册时间: 2008-09-28

最后登录时间: 2012-05-30

空间 发短消息加为好友

线性稳压器件工作原理及补偿

常青树  发表于 2008/10/27 18:28:19      815 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

手机阅读

 

使用ESR补偿LDO

        等效串联电阻(ESR)是每个电容共有的特性。可以将电容表示为电阻与电容的串联。

输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点,可以用来减少负相移。零点出现的频率值与ESR和输出电容值直接相关:

Fzero= 1/(2π×Cout×ESR)

使用上一节的例子,我们假设输出电容值Cout=10uF而且输出电容的ESR=1Ω。则零点发生在16kHz。

添加此零点如何使不稳定系统变为稳定系统:

回路的带宽增加了所以0dB的交点频率从30kHz移到了100kHz。到100kHz处该零点总共增加了+81°相移。也就是减少了PL和P1造成的负相移。

因为极点Ppwr处在500kHz,在100kHz处它仅增加了-11°的相移。累积所有的零、极点,0dB处的总相移现在为-110°。也就是有+70°的相位裕度,系统非常稳定。

    这也就解释了具有正确ESR值的输出电容是可以产生零点来稳定LDO系统的。


ESR 和稳定性

通常所有的LDO都会要求其输出电容的ESR在一定范围之内以保证稳压器的稳定性。LDO制造商会提高一系列由输出电容ESR和负载电流组成的定义稳定范围的曲线:

     要解释为什么有这些范围存在,我们会使用前面提到的例子来说明ESR的高低对相位裕度的影响。


高ESR
        同样使用上一节提到的例子,我们将假设10uF输出电容的ESR增加为20Ω。这将使零点的频率降低到800Hz。降低零点的频率就会使回路的带宽增加,使它的0dB的交点频率从100kHz变到2MHz。

     带宽的增加意味着极点Ppwr会出现在带宽内,可以发现如果同时拿掉该零点和P1或PL中的一个极点,对曲线的形状影响很小。也就是说该回路由发生-90°相移的低频极点和发生-76°相移的高频极点Ppwr共同影响。
    尽管还有14°的相位裕度(可能稳定)。但很多测试数据显示,当ESR>10Ω时由于其它的高频极点的分布(在此简单模型中未表示)很可能会引入不稳定性。

低ESR
        具有很低的ESR的输出电容由于一些不同的原因也会产生振荡。继续用上一节的例子,我们把10uF输出电容的ESR降低到50mΩ,则零点的频率会变到320kHz。

     不用计算也能知道系统是不稳定的。两个极点P1和PL在0dB处共产生了-180°的相移。因为本系统如果想稳定,则零点应该在0dB点之前提供正相移。然而,因为零点在320kHz处,已经在系统带宽之外了,所以没有起到补偿作用。

输出电容选择

因为输出电容是用来补偿LDO稳压器的,所以选择时必须仔细。基本上所有的LDO应用中引起的振荡都是因为输出电容的ESR过高或过低。

当选择LDO的输出电容时,钽电容通常是最好的选择(除了一些专门设计使用陶瓷电容的LDO,例如:LP2985)。测试一个AVX的4.7uF的钽电容可知它在25℃时ESR为1.3Ω,该值处在稳定范围的中心。

另一点非常重要,AVX电容的ESR在-40℃到+125℃温度范围内的变化小于2:1。铝电解电容在低温时的ESR会变大很多,所以不适合作LDO的输出电容。

    必须注意大的陶瓷电容(≥1uF)通常会用很低的ESR(<20mΩ),这几乎会使所有的LDO稳压器产生振荡(除了LP2985)。如果使用陶瓷电容就要串联电阻以增加ESR。大的陶瓷电容的温度特性很差(通常是Z5U的),也就是说在工作范围内的温度的上升和下降会使容值成倍的变化。

准LDO补偿
在考虑准LDO稳压器的稳定性和补偿的问题时,我们会考虑到它兼有LDO和NPN稳压器的特性。因为准LDO稳压器利用NPN导通管,它的共集电极组合也就使它的输出极(射极)看上去有相对低的阻抗

然而,由于NPN的基极是由高阻抗PNP电流源驱动的,所以准LDO的输出阻抗不会达到使用NPN达林顿管的NPN稳压器的输出阻抗那样低。(但是它比真正的LDO的输出阻抗要低)。

也就是说准LDO的功率极点的频率比NPN稳压器的低,因此准LDO也需要一些补偿以达到稳定。当然了这个功率极点的频率要比LDO稳压器的频率高很多,因此准LDO需要更小的电容而且对ESR的要求也不很苛刻。

    例如,准LDO LM1085可以输出高达3A的负载电流却只需10uF的钽输出电容来确保稳定性。而且并未提供ESR图,因为在此LDO应用中对电容的ESR要求很宽松。

要求低ESR的LDO

国半确实有像LP2985和LP2989这样要求输出电容使用像表明贴装陶瓷电容一样具有超低ESR的电容。这种电容的ESR可以低到5-10mΩ。这样小的ESR会使典型的LDO稳压器引起振荡。。

为了使LP2985在使用如此低的ESR时仍能够稳定工作,国半已经在芯片内部通过放置钽输出电容来补偿了零点。这样做是为了将可稳定的ESR的上限范围下降。未在内部添加零点的典型LDO的可稳定的ESR的范围一般为100mΩ到5Ω(只适合使用钽电容并不适合使用陶瓷电容)。LP2985的稳定范围是3Ω到500mΩ因此它可以使用陶瓷电容。

    要弄清稳定范围上限下降的原因请参考图15。正如以上所提到的,此零点被集成在LDO的内部。因此外部电容产生的零点必须处在足够高的频率,这样就不能使带宽很宽。否则,高频极点会产生很大的相移从而导致振荡。


使用场效益管(FET)的LDO的优点

LDO稳压器可以使用P-FET作为导通管。为了明白使用P-FET LDO的好处,必须先注意到在PNP LDO(如图2)中要驱动PNP功率管就需要基极电流。基极电流由地脚流出并反馈回输入电压的负端。因此,这些基极驱动电流并未用来驱动负载。它在LDO稳压器中耗损的功耗由下式计算:

PWR(BaseDrive)=Vin×Ibase

需要驱动PNP管的基极电流等于负载电流除以β值(PNP管的增益)。在一些PNP LDO稳压器中该β值一般为15-20(与负载电流相关)。由此基极驱动电流产生的功耗可不是我们期望的(尤其是在电池供电应用中)。使用P-FET可以解决这个问题,因为它的栅极驱动电流很小。

P-FET LDO另一个好处是通过调整FET的导通阻抗可以将稳压器的跌落电压作的很小。对于集成的稳压器而言,在单位面积上制造的FET的导通阻抗会比PNP三极管的导通阻抗低。这就可以在更小封装下产生更大的电流
1楼 0 0 回复