LDO稳压器基本工作原理及环路补偿.pdfLDO稳压器基本工作原理及环路补偿pdf,由于超低ESR电

文件名称: LDO稳压器基本工作原理及环路补偿.pdf

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详细说明：LDO稳压器基本工作原理及环路补偿pdf,由于超低ESR电容诸如陶瓷电容可以支持快速变化的负载瞬态，以及可以旁路线性稳压器不能抑制的、来自开关转换器电源的特高频噪声，从而广受欢迎输出电容ESR补偿该例可以说明,为什么大多数LDO的数据表会公布每个电容都包含了某些类型的寄生电阻,这意味着 ESR值的稳定范围,即输出电容必须满足其范围以确保落可以将实际电容建模为一个电阻与一个理想电容的串联稳压器工作的稳定:ESR零点是环路的主导补偿因素。形式。这个串联电阻一般被称之为ESR(等效串联阻 ESR的"最大"边界值为零点频率设定了较低的限值,这抗)。内置ESR同输出电容构成一个零点,其频率可以个限值不能太低,因为它会增加环路带宽至高频极点频率通过下式计算得到处,从而会造成系统不稳定。"最小"的ESR边界值为零 ZESR=1/(2X T XESRXCOUT 点设定了最大频率,该值不能太高,因为它产生在单位增般而言为进行LDO补偿,钽电容零点频率的位置益交点频率之后,无法再增加足够的相位超前以获得充已经理想地确定好了:一个典型值为10μF的钽电容具有分的相位裕度来保证工作的稳定性。的ESR在大约0.5ohm的范围内,给定的零点大约在频率 30kH处。将该零点引入至先前导出的实例中,并在增陶瓷电容益/相位图中显示出来。图4显示了由于添入ESR零点而ESR=毫欧姆数量级增加的相位裕度: 陶瓷电容确实包含了某些寄生ESR,但是对于大于 1uF的电容值来说,在高频时的ESR值通常会在几个毫 100 欧姆的范围內。对于旁路高频噪声和支持快速变化的负载瞬态而言,陶瓷电容具有特别的吸引力。一个ESR值 P COM 80 在5毫欧姆范围内的10μF电容在大于3MHz频率处会提供个零点。正如上例中所示,频率太高以致于不能增加 60 足够的相位超前,从而不能在单位增益频率处提供充分的相位裕度。具有超低ESR输出电容稳定工作的LDO在误差放大器补偿网络内建有一个零点。不仅使用一个单反馈电容 CCoMP的简单积分器,还在其中增加一个串联电阻( 图5)。反馈元件的组合不但会产生积分器极点,也会产生零点。电阻(如图所示为PoW)提供一个零点其具有与ESR零点相同的功能。在保持良好的相位裕度的同时允许使用陶瓷输出电容。该设计技术可以降低"最小稳定ESR"限值直至基本 180 101001k10k100k1M10M 上为零欧姆,但同时也会降低最大稳定ESR限值。为了 FREQUENCY(Hz) 更好地理解其原理,应该注意以下方面:因为误差放大 20194604 器在环路带宽内提供一个零点,增加其他的零点会将带图4使用前馈补偿和ESR补偿的典型LDO的增益/相位图宽提高很多,从而使高频极点成为不稳定因素。个典型的设计成与电解质输出电容一起的工作 DO可以产生稳定的ESR范围,大约从0.19至109。具将ESR零点包含至实例中使得计算的带宽从大约有内置零点的陶瓷稳定方案可以将ESR值降低至零欧 300kHz增加至600kHz,但最重要的是:它的相位裕度姆,但是上限也可能会低至大约05(取决于负载电流从11度增加至68度(此时高度稳定) 和Cou大小)。￥陶瓷电容: 如图所示,稳定工作的低限值大约在50毫欧姆,这 ESR=毫欧姆数量级(续) 个值太高了以致于不能使用陶瓷输出电容,除非增加一些外置电阻与之串联来降低阻抗。ESR限值的上界(其 N 设定ESR零点的低频)在负载很小时会向上跳变。这是基于一个事实:负载极点在负载很小时移至较低频率( CCOMP 减少了环路带宽),从而使得ESR零点的频率降低,使 C oUt 其仍然可以稳定工作。陶瓷稳定性"LDO稳压器的ESR曲线如图7所示。稳 RI 定性ESR的下限是零欧姆,上限大约是0.592,在负载特 ERROR 别小的时候上限值会提高。如前所述,限值上升的原因 AMP 是负载极点在小负载时下降至非常低的频率,从而在低频处具有补偿零点,以确保环路的稳定性。 GND 图5具有內置补偿零点的陶瓷稳定性LDo 一个典型的"电解稳定"LDO具有的稳定ESR范围实例如图6所示。这是在LP2988数据表中所示的ESR曲线 0.1 的重现。用于产生这种ESR曲线的数据点是来源于经验 STABLE REGION 性的向量测试,通过使用一个陶瓷输出电容(基本上无 0.01 ESR)和接入一个分立电阻与之串联,可以发现在不同负载电流处的不稳定点,并在两个温度极值处获得测试数据。 0.001 150 CLOAD CURRENT(mA) OUT = 4.7 VoUT= 3V 图7典型"陶瓷稳定性"LDo的 CouT ESR稳定边界根据以上曲线,可以发现陶瓷输出电容的使用一般 E 1 STABLE REGION 是为配合使用它的器件而保留的。然而,"陶瓷稳定 LDO稳压器在ESR限值上界没有足够的裕度以供低ESR 0.1 钽电容和铝电解电容来应用。 0.01 20 LOAD CURRENT (mA) 图6典型"电解稳定"LDo的 COUT ESR的稳性边界 wwwnational.com 源于陶瓷"旁路"电容的附加极点在许多设计中,特别是包含数字芯片的电路中,通贯 100 2z 整个印刷板,由稳压器供电的每个器件的VCC引脚旁都 PCOMP 会出现旁路电容的踪影。在大多数情况下,它们都是些 80 范围在.01μ至0.1μ的小型陶瓷电容。这些电容会造 PLOAD 成LDO稳压器的振荡,其原因常常不为用户所知。正如前面所解释的,连接至LDO输出端的电容与从 z40 输出结点对地的有效阻抗会形成一个"负载极点": 20 PBYP PFF 还有一点不易看清楚的是:连接至输出的小型电容会在某个频率增加一个多余的极点,因而会降低或者消除相位裕度。使用电解质输出电容(补偿零点依赖于它们的ESR值)的LDO稳压器很容易受到该效应的影响。先前推导的实例(增益/相位图如图4所示)可以用来说明这是如何产生的: -180 开环增益=80dB 101001k10k100k1M10M FREQUENCY(Hz) OuT /VREF=5 COMP=500 Hz P PLOAD =4.8 kHz CouT= 10uF, RL=3.3Q2 图8.1μF陶瓷电容连接输出而减少的相位裕度 PWr=500 kHz R1=40k 该例说明了,即使将相对较小的陶瓷电容添加至不 R2=10k 是为陶瓷电容设计的LDO的输出端,都会造成LDo容易变 CFF=39 pF(PFF=510 kHz, ZEF= 100 kHz) 得不稳定。一般不合理的假设是:当用一个小电容与稍 Cour=10μF钽电容/ESR=0.5 大的电容进行并联时,较小的电容产生的效应会被稍大 (ESR零点频率=30kHz) 电容所淹没”然而,由旁路电浹定的稍小电容值单位增益交点频率估算值<>=600kHz 会形成自己的极点。如果极点靠近或者低于环路的单位相位裕度=60度(无需添加陶瓷输出电容) 增益交点频率,它将会增加足够的相位迟滞,以致形成先前仅使用10uF的钽输出电容,计算得到的相位裕振荡度大约为68度(非常稳定)。如果用10个0.1pF的陶瓷" 旁路电容来连接LDO的输出,形成与10F的钽电容并将旁路电容效应降到最小联的1μF有效陶瓷电容,情况又会是怎样呢? 因为将小型陶瓷电容放置于LDO稳压器的输出端计算得到陶瓷旁路电容产生的新极点会降低相位裕庋,所以必须仔细地将它们与稳压器的输 PLOAD=1 /(2 X T X ROUT X COUT) 出端保持尽可能远的安全距离。电容值范围在大约计算R。u时,我们最关心的是在靠近单位增益交点 0.01μF至0.1pF通常最容易产生问题。频率(大约为600kHz)时输出对地的阻抗。在这个频率与这些电容串联的布线电感有助于对它们的共振效范围内,10μF的钽电容看上去可等效为一个输出对地应进行退耦。因为电路板布局的变化,对于所有应用不 059的电阻,39的负载电阻与之并联,产生Rou的有效能给出统一的"安全距离"边界值。窄铜线比铜板具有明阻抗为043Q。可得该阻抗和陶瓷电容形成的极点显高的电感值。所以将电源层和接地层用于传送印刷板 PBYP =1/(2XX043X 1 HF)=370 kHz 电源时,应增加电容的”作用距离"。仍然假定单位增益频率约为600kHz,增加的极点将确定印刷板电容是否会减少相位裕度的最可靠的方会使相位裕度从68度下降至9度左右(稳定性很差)。法就是,计入存在的所有电容在实际电路板上执行负载该增益/相位图如图8所示。逐级变化的测试。应将由稳压器供电的芯片移除(或者没有安装),并将能提供相同负载电流的电阻接在稳压器的输出端上。当负载从无负载至额定负载逐级变化时,在负载逐级变化的瞬态期间可以观察输出是否产生振铃或者过冲现象:过量的振铃现象表明了低的相位裕度 wwnational. com 注释对于上述任何电路的使用,美国国家半导体公司不承担任何责任且不默示任何电路专利许可。美国国家半导体公司保留随时更改上述电路和规格的权利,恕不另行通知。想了解最新的产品信息,请访问我们的网址:www.nationalcon。生命支持策略未经美国国家半导体公司的总裁和首席律师的明确书面审批,不得将美国国家半导体公司的产品作为生命支持设备或系统中的关键部件使用。特此说明 1.生命支持设备/系统指:(a)打算通过外科手术移植到体内的 2.关键部件是在生命支持设备或系统中,有理由认为其失效会造生命支持没备或系统;(b)支持或维持生命,依照使用说明成生命支持设备/系统失效,或影响生命支持设备/系统的安全书正确使用时,有理由认为其失效会造成用户严重伤害。性或效力的任何部件。禁用物质合规美国国家半导体公司制造的产品和使用的包装材料符合《消费产品管理规范(SP-9-11C2)》以及《相关禁用物质和材料规范 csP9-111s2)》的条款,不包含CSP-9-112限定的任何"禁用物质"。无铅产品符合RoHS指令。 National semiconductor National Semiconductor National Semiconductor National semiconductor Americas Customer Europe Customer Support Center Asia Pacific Customer Japan Customer Support Center Support Center Fax:+49(0180-5308586 Support Center Fax:81-3-5639-7507 Email:newfeedbacknsc.com Email:europesupportnsc.com Email:ap.suppcrtnsc.com Email:jpnfeedbacknsc.com Te:1-800-272-9959 Deutsch Te:+49(06995086208 Te:81-3-5639-7560 English Tel:+44(0)8/024021/1 www.national.com Francais Tel: +33(0)1 41 8790

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