Analog Devices

2007年第41卷第2期

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应用工程师问答——37
低压差稳压器

By Jerome Patoux [jerome.patoux@analog.com]

 

本文介绍低压差稳压器(LDO)的基本结构和使用技巧以确保其稳定工作。我们还讨论ADI公司LDO系列产品的设计特点,这些特点可提供一种保持动态稳定性和直流(DC)稳定性的灵活方法。

问:什么是LDO?如何使用它们?

答:稳压器用于提供一种不随负载阻抗、输入电压、温度和时间变化而变化稳定的电源电压。低压差稳压器因其能够在电源电压(输入端)与负载电压(输出端)之间保持微小压差而著称。例如,如果锂电池电压从4.2 V(全充电)下降到2.7V(几乎全放电),而LDO可在负载端保持2.5 V恒定电压。

便携式应用的日益增加使得设计工程师考虑使用LDO保持所需的系统电压,而与电池充电状态无关。便携式系统不是受益于LDO的唯一应用,任何需要稳定恒定电压,同时使上流电源电压最小(或者能处理上流电源大幅度波动)的设备都可以考虑使用LDO。典型实例包括使用数字和射频(RF)负载的电路。

“线性”串联稳压器(见图1)通常包括一个基准电压源、一个比例输出电压与基准电压比较环节、一个反馈放大器和一个串联调整管组成(双极型晶体管或FET管)组成,用放大器控制稳压器的压降维持要求的输出电压值。例如,如果负载电流下降,会引起输出电压显著上升,误差电压增大,放大器的输出上升,调整管两端的电压会增加,因此输出电压回到其原始值。

Analog Devices: 基本的增强型PMOS LDO

图1. 基本的增强型PMOS LDO

在图1中,误差放大器和PMOS晶体管构成压控电流源。输出电压VOUT按分压比(R1R2)成比例下降,并且将其与基准电压(VREF)比较。误差放大器的输出控制增强型PMOS晶体管。

稳压器的“压差”是指输出电压与输入电压之间的压差,如果此输入电压继续减小那么该电路便不能稳压。通常认为当输出电压下降到低于标称值100 mV时是达到的目标。表征这LDO稳压器的关键指标取决于负载电流和调整管的PN结温度。

问:如何根据压差对稳压器分类?

答:我们建议分为三类:标准稳压器、准LDO和LDO。

标准稳压器,通常使用NPN调整管,通常输出管的压降大约为2 V。

准LDO稳压器,通常使用达林顿复合管结构(见图2)以便实现由一只NPN晶体管和一只PNP 晶体管组成的调整管。这种复合管的压降,VSAT (PNP) + VBE (NPN)通常大约为1 V——比LDO高但比标准稳压器低。

Analog Devices: 准LDO电路

图2. 准LDO电路

LDO稳压器通常根据压差要求作最佳选择,通常压差在100 mV~200 mV范围。然而,LDO的缺点是其接地引脚的电流通常比准LDO或标准稳压器大。

标准稳压器比其它类型稳压器具有较大的压差,较大的功耗和较低的效率。大多数情况下可使用LDO稳压器代替标准稳压器,但是应该考虑到LDO稳压器的最大输入电压指标比标准稳压器低。此外,有些LDO需要精心挑选外部电容器以保持稳定性。这三种类型稳压器在带宽和动态稳定性考虑因素方面也有些不同。

问:如何为我的应用选择最佳稳压器?

答:为特定的应用选择合适的稳压器,需要考虑输入电压的类型和范围(例如稳压器前面的DC/DC变换器或开关电源的输出电压)。其它重要考虑因素是:需要的输出电压、最大负载电流、最小压差、静态电流和功耗。通常,稳压器的附加功能可能很有用,例如待机引脚或指示稳压失效的错误标志。

为了选择合适类型的LDO,需要考虑输入电压源。在电池供电应用中,当电池放电时,LDO必须维持所需的系统电压。如果DC输入电压是由经过整流的AC电源提供,那么压差并不重要,因此标准稳压器可能是更好的选择,因为其更价格较低并且可以提供较大的负载电流。但是如果需要较低功耗或较精密的输出电压,则LDO是合适的选择。

当然,稳压器应该在最坏工作环境达到规定精度的条件下能够为负载提供足够大的电流。

LDO结构
在图1中,调整管是PMOS晶体管。然而,稳压器可能使用各种类型的调整管,因此可以根据所使用的调整管类型对LDO分类。不同结构和特性的LDO具有不同的优点和缺点。

四种类型调整管示例如图3所示,包括NPN双极型晶体管、PNP双极型晶体管、复合晶体管和PMOS晶体管。

调整管示例

图3. 调整管示例

对于给定的电源电压,双极型调整管可提供最大的输出电流。PNP优于NPN,因为PNP的基极可以与地连接,必要时使晶体管完全饱和。NPN的基极只能与尽可能高的电源电压连接,从而使最小压降限制到一个VBE结压降。因此,NPN管和复合调整管不能提供小于1 V的压差。然而它们在需要宽带宽和抗容性负载干扰时非常有用(因为它们具有低输出阻抗ZOUT特性)。

PMOS和PNP晶体管可以快速达到饱和,从而能使调整管电压损耗和功耗最小,从而允许用作低压差、低功耗稳压器。PMOS调整管可以提供尽可能最低的电压降,大约等于RDS(ON)×IL。它允许达到最低的静态电流。PMOS调整管的主要缺点是MOS晶体管通常用作外部器件 —— 特别当控制大电流时 —— 从而使IC构成一个控制器,而不能构成一个自身完整的稳压器。

一个完整稳压器的总功耗是

PD = (VIN -VOUT ) IL + VIN IGND

上面关系式的第一部分是调整管的功耗;第二部分是电路控制器部分的功耗。有些稳压器的接地电流,特别是那些用饱和双极型晶体管作调整管的稳压器,会在上电期间达到峰值。

问:如何确保LDO的动态稳定性?

答:适合普通应用的传统LDO稳压器设计存在稳定性问题。这个问题是由于反馈电路的性能、多种可能的负载、环路中元件的变化和难于获得具有一致性参数的精密补偿。下面将讨论这些考虑因素,然后介绍可提高稳定性的anyCAP®电路的结构。

LDO通常使用一个反馈环路在输出端提供一个与负载无关的恒定电压。因为对于任何高增益反馈环路来说,环路增益传递函数中极点和零点的位置都决定其稳定性。

基于NPN管的稳压器具有低阻抗射极负载输出,倾向于对输出容性负载很不敏感。然而,基于PNP管和PMOS管的稳压器具有较大的输出阻抗(在基于PNP管的稳压器中具有高阻抗集电极负载)。此外,环路增益和相位特性强烈依赖负载阻抗,因此对于稳定性问题需要特别考虑。

基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的传递函数具有几个影响稳定性的极点:

  • 主极点(图4中的P0)由误差放大器决定;它是由放大器的gm通过内部补偿电容CCOMP一起控制和确定的。主极点对上述所有LDO结构都是共同的。
  • 第二极点(P1)由输出电抗(指输出电容和负载电容以及负载阻 抗)决定。这使得应用问题更难处理,因为这些电抗会影响环路的增益和带宽。
  • 第三极点(P2)由调整管附近的寄生电容决定。在相同条件下,PNP功率晶体管的单位增益频率(fT)比NPN晶体管的fT低很多。

LDO的幅频响应

图4. LDO的幅频响应

如图4所示,每个极点产生每10倍频程20 dB的增益下降并且伴随90°的相移。因为这里所讨论的LDO有多个极点,所以如果单位增益频率处的相移达到-180°,线性稳压器会变得不稳定。图4还示出了容性负载对稳压器的影响,其等效串联电阻(ESR)会在传递函数中增加一个零点(ZESR)。该零点有助于补偿其中一个极点,并且如果该极点出现在单位增益频率以下时有助于稳定环路并且保持相应频点的相移低于-180°。

ESR对于维持稳定性可能是至关重要的,特别对于使用纵向PNP调整管的LDO。然而,由于电容器的寄生特性,所以ESR不总是好控制。电路可能需要ESR集中在某个窗口范围内以确保LDO工作在对于所有输出电流都稳定的区域(见图5)。

稳定性随输出电流IOUT和负载电容的ESR变化

图5. 稳定性随输出电流IOUT和负载电容的ESR变化

虽然原则上选择具有合适ESR的合适电容器(要求频率响应曲线在穿过0 dB之前下降得足够快,并且在达到相关极点P2之前向低于0 dB增益方向减小得足够满)非常困难。实际考虑还会增加更多的困难:ESR随着产品型号变化;大批量生产使用的最小电容值需要进行基准测试,包括最小环境温度和最大负载的极端条件。电容器类型的选择也很重要。最合适的电容器是钽电解电容器,尽管具有大容量的钽电解电容器尺寸很大。铝电解电容器的尺寸很小,但其ESR在低温时会变差,并且在-30°C以下无法正常工作。多层陶瓷电容器类型无法为普通的LDO提供足够的电容(但是它们适合于anyCAP系列LDO设计,请阅读下面的内容)。

ADI公司的anyCAP系列LDO

目前实现LDO相当容易,因为采用ADI公司的anyCAP LDO体系结构可提高与稳压器相关的直流(DC)和交流(AC)性能。顾名思义,anyCAP LDO稳压器体现了它对于电容器的尺寸及其ESR都要求不高,从而允许使用种类尽可能多的输出电容器。虽然这种体系结构不断发展并且在市场上提供越来越多的稳压器,但是了解这种体系结构如何简化稳定性问题(见图6)可能会对您有所裨益。

anyCAP LDO的简化原理图

图6. anyCAP LDO的简化原理图

anyCAP系列LDO,包括100 mA低静态电流ADP33701和200 mA低静态电流ADP33312,使用低达0.47 µF输出电容可以保持稳定,从而允许使用任何类型的优质电容器(包括小尺寸多层陶瓷电容器)。ESR根本不是问题。

图6所示的原理图示出了一个环路如何提供稳压和基准电压功能。用外部R1-R2分压电阻检测输出电压,然后输出电压通过二极管D1和R3-R4分压电阻反馈回高增益放大器的输入。当达到平衡时,放大器产生一个很大的、可重复的、容易控制的偏移电压,该电压是与绝对温度成比例(PTAT)的 。PTAT电压与热敏二极管电压降相结合一起构成隐含的基准电压,该基准电压是不受温度影响的虚拟带隙式电压。

此放大器的输出连接到一个同相驱动器以控制调整管,利用米勒极点分离的补偿方法降低对负载电容器的电容值、电容器类型和ESR的要求。极点分离方法的另外一个优点是具有优异的电源噪声抑制和很高的稳压器增益,从而可提供非常高的精度和优异的输入电源调整率和负载调整率。

问: 您可以介绍一下ADI公司的LDO系列产品吗?

答: 当然,选择LDO要根据电源电压范围、负载电压和所需的最大压差。不同器件的主要差别集中在功耗、效率、价格、容易使用以及各种技术指标和提供的封装形式。

ADI公司几年来一直为市场提供流行的ADP33xx anyCAP系列LDO。它们采用BiCMOS工艺和PNP调整管,因此具有很好的稳压性能和上述许多优点,但其价格发展趋势比CMOS器件有些贵。

一些新设计,例如ADP17xx系列,完全基于CMOS工艺制造并且使用PMOS调整管,因而允许以低成本生产LDO,但其牺牲了线性稳压器的性能。该系列稳压器可以适应多种输出电容,但它们仍然需要至少1 µF的电容和≤500 mΩ的ESR。例如,150 mA的ADP17103ADP17114使用1 µF很小的陶瓷输出电容器就可以适应稳定地工作,从而具有优良的瞬态性能同时占用最小的印制电路板(PCB)面积;300 mA的ADP17125ADP17136ADP17147可使用≥2.2 µF的电容器。

以上两个系列稳压器都具有在0.75 V~3.3 V范围内16个固定输出电压选择和在0.8 V~5 V范围内可调输出电压选择。随输电线电压、负载和温度变化输出电压精度优于±2%。ADP1711和ADP1713固定输出电压稳压器允许外部连接一个基准电压旁路电容器,以减小输出电压噪声并且提高电源抑制比。ADP1714具有跟踪功能,它允许输出电压跟随一个外部电压或基准电压。ADP1710和ADP1711在额定负载下的压差是150 mV;ADP1712,ADP1713和ADP1714则为170 mV。它们的电源抑制(PSR)很高(1 kHz时为69 dB和72 dB),并且功耗很低(负载电流为100 µA时其接地电流为40 µA和75 µA)。

图7示出了ADP1710在输入电容CIN=1 µF和输出电容COUT=1 µF以及ADP1711在CIN=22 µF和COUT=22 µF几乎满负载条件下的典型瞬态响应比较。

Analog Devices:ADP1710和ADP1711的瞬态响应

图7. ADP1710和ADP1711的瞬态响应

两系列稳压器工作温度范围为-40°C~+125°C,都采用5引脚TSOT超小封装,该封装是一种满足各种电源要求的超小封装解决方案。

参考文献——从2007年5月开始有效

1 ADI website: www.analog.com (Search) ADP3307

2 ADI website: www.analog.com (Search) ADP3331

3 ADI website: www.analog.com (Search) ADP1710

4 ADI website: www.analog.com (Search) ADP1711

5 ADI website: www.analog.com (Search) ADP1712

6 ADI website: www.analog.com (Search) ADP1713

7 ADI website: www.analog.com (Search) ADP1714



 



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