LDO的工作原理详细分析二
ut × ESR) (10)
再看上一节的例子(图13),假设输出电容值Cout =10uF,输出电容的ESR = 1Ω。则零点发生在16kHz。图15的波特图显示了添加此零点如何使不稳定的系统恢复稳定。
图15
回路的带宽增加了,单位增益(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(Positive Phase Shift)。也就是减少了极点PL和P1造成的负相移(Negative Phase Shift)。 极点Ppwr处在500kHz,在100kHz处它仅增加了-11°的相移。累加所有的零、极点,0dB处的总相移为-110°。也就是有+70°的相位裕度,系统非常稳定。
这就解释了选择合适ESR值的输出电容可以产生零点来稳定LDO系统。
ESR 和稳定性
通常所有的LDO都会要求其输出电容的ESR值在某一特定范围内,以保证输出的稳定性。 LDO制造商会提供一系列由输出电容ESR和负载电流(Load Current)组成的定义稳定范围的曲线(图16:典型LDO的ESR稳定范围曲线),作为选择电容时的参考。
图16
要解释为什么有这些范围的存在,我们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,我们假设10uF输出电容的ESR增加到20Ω。这将使零点的频率降低到800Hz(图17:高ESR引起回路振荡的波特图)。
图17
降低零点的频率会使回路的带宽增加,它的单位增益(0Db)的交点频率从100kHz 提高到2MHz。 带宽的增加意味着极点 Ppwr 会出现在带宽内(对比图15)。分析图17波特图中曲线的相位裕度,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。也就是说该回路受到-90° 相移的低频极点和发生-76° 相移的高频极点Ppwr共同影响。
尽管有 14° 的相位裕度,系统可能会稳定。但很多经验测试数据显示,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
选择具有很低的ESR的输出电容,由于一些不同的原因也会产生振荡。继续沿用上一节的例子,假定10uF输出电容的ESR只有50mΩ,则零点的频率会变到320kHz(图18:低ESR引起回路振荡的波特图)。
图18
不用计算就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。如果要系统稳定,则零点应该在0dB点之前补偿正相移。然而,零点在320kHz处,已经在系统带宽之外了,所以无法起到补偿作用。
输出电容的 选择
综上,输出电容是用来补偿LDO稳压器的,所以选择时必须谨慎。基本上所有的LDO应用中引起的振荡都是由于输出电容的ESR过高或过低。
LDO的输出电容,通常钽电容是最好的选择(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钽电容可知它在25℃时ESR为1.3Ω,该值处在稳定范围的中心(图16)。
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型),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,所以不推荐使用。
准LDO补偿
准LDO(图3)的稳定性和补偿,应考虑它兼有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,当然它比真正的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的频率高很多,因此准LDO只需要很小的电容,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的输出钽电容来维持稳定性。准LDO制造商未必提供ESR范围的曲线图,所以准LDO对电容的ESR要求很宽松。
低ESR的LDO
国半(NS)的两款LCO,LP2985和LP2989,要求输出电容贴装象陶瓷电容一样超低ESR。 这种电容的ESR可以低到5~10mΩ。 然而这样小的ESR会使典型的LDO稳压器引起振荡(图18)。
为什么LP2985在如此低ESR的电容下仍能够稳定工作? 国半在IC内部放置了钽输出电容来补偿零点。这样做是为了将可稳定的ESR的上限范围下降。LP2985的ESR稳定范围是3Ω到500MΩ,因此它可以使用陶瓷电容。未在内部添加零点的典型LDO的可稳定的ESR的范围
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