1、LDO 稳压器工作原理随着便携式设备（电池供电）在过去十年间的快速增长，像原来的业界标准 LM340 和 LM317 这样的稳压器件已经无法满足新的需要。这些稳压器使用 NPN 达林顿管，在本文中称其为 NPN 稳压器（NPN regulators）。预期更高性能的稳压器件已经由新型的低压差（Low-dropout）稳压器（LDO）和准 LDO 稳压器（quasi-LDO）实现了。(原文： Linear Regulators: Theory of Operation and Compensation )NPN 稳压器（NPN regulators）在 NPN 稳压器（图 1：NPN 稳压器内部
2、结构框图）的内部使用一个 PNP 管来驱动 NPN 达林顿管（NPN Darlington pass transistor），输入输出之间存在至少 1.5V2.5V 的压差（dropout voltage）。这个压差为：Vdrop 2Vbe Vsat（NPN 稳压器） （1）LDO 稳压器（LDO regulators）在 LDO(Low Dropout)稳压器（图 2：LDO 稳压器内部结构框图）中，导通管是一个 PNP管。LDO 的最大优势就是 PNP 管只会带来很小的导通压降，满载（Full-load）的跌落电压的典型值小于 500mV，轻载（Light loads）时的压降仅有 102
3、0mV。LDO 的压差为：Vdrop Vsat （LDO 稳压器） （2）准 LDO 稳压器（Quasi-LDO regulators）准 LDO（Quasi-LDO）稳压器（图 3：准 LDO 稳压器内部结构框图）已经广泛应用于某些场合，例如：5V 到 3.3V 转换器。准 LDO 介于 NPN 稳压器和 LDO 稳压器之间而得名， 导通管是由单个 PNP 管来驱动单个 NPN 管。 因此，它的跌落压降介于 NPN 稳压器和 LDO之间：VdropVbeVsat （3）稳压器的工作原理（Regulator Operation）所有的稳压器，都利用了相同的技术实现输出电压的稳定（图 4：稳压器
4、工作原理图）。输出电压通过连接到误差放大器（Error Amplifier）反相输入端（Inverting Input）的分压电阻（Resistive Divider）采样（Sampled），误差放大器的同相输入端（Non-inverting Input）连接到一个参考电压 Vref。 参考电压由 IC 内部的带隙参考源(Bandgap Reference)产生。误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。为此，它提供负载电流以保证输出电压稳定：Vout = Vref(1 + R1 / R2) （4）性能比较(Performance Comparison)NPN，LDO 和准 LDO 在电性能参数上
5、的最大区别是：跌落电压（Dropout Voltage）和地脚电流（Ground Pin Current）。为了便于分析，我们定义地脚电流为 Ignd （参见图4），并忽略了 IC 到地的小偏置电流。那么，Ignd 等于负载电流 IL 除以导通管的增益。NPN 稳压器中，达林顿管的增益很高（High Gain）， 所以它只需很小的电流来驱动负载电流 IL。这样它的地脚电流 Ignd 也会很低，一般只有几个 mA。 准 LDO 也有较好的性能，如国半（NS）的 LM1085 能够输出 3A 的电流却只有 10mA 的地脚电流。然而，LDO 的地脚电流会比较高。在满载时，PNP 管的 值一般是 1
6、520。也就是说LDO 的地脚电流一般达到负载电流的 7%。NPN 稳压器的最大好处就是无条件的稳定，大多数器件不需额外的外部电容。 LDO 在输出端最少需要一个外部电容以减少回路带宽（Loop Bandwidth）及提供一些正相位转移（Positive Phase Shift）补偿。 准 LDO 一般也需要有输出电容，但容值要小于 LDO 的并且电容的 ESR 局限也要少些。反馈及回路稳定性（Feedback and Loop Stability）所有稳压器都使用反馈回路（Feedback Loop）以保持输出电压的稳定。 反馈信号在通过回路后都会在增益和相位上有所改变，通过在单位增益（Un
7、ity Gain，0dB）频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。波特图（Bode Plots）波特图(Bode Plots)可用来确认回路的稳定性，回路的增益（Loop Gain，单位：dB）是频率（Frequency）的函数（图 5：典型的波特图）。 回路增益及其相关内容在下节介绍。 回路增益可以用网络分析仪（Network Analyzer）测量。 网络分析仪向反馈回路(Feedback Path)注入低电平的正弦波(Sine Wave)，随着直流电压（DC）的不断升高， 这些正弦波信号完成扫频，直到增益下降到 0dB。然后测量增益的响应（Gain Response）。波特图是很方便的工
8、具，它包含判断闭环系统（Closed-loop System）稳定性的所有必要信息。 包括下面几个关键参数：环路增益（Loop Gain），相位裕度（Phase Margin）和零点（Zeros）、极点（Poles）。回路增益（LOOP GAIN）闭环系统（Closed-loop System）有个特性称为回路增益（Loop Gain）。在稳压电路中，回路增益定义为反馈信号（Feedback Signal）通过整个回路后的电压增益（Voltage Gain）。为了更好的解释这个概念，LDO 的结构框图（图 2）作如下修改（图 6：回路增益的测量方法）。 变压器（Transformer）用来将交
9、流信号（AC Signal）注入（Inject）到“A”、“B”点间的反馈回路。借助这个变压器，用小信号正弦波（Small-signal Sine Wave）来“调制”（modulate）反馈信号。可以测量出 A、B 两点间的交流电压（AC Voltage），然后计算回路增益。回路增益定义为两点电压的比（Ratio）：Loop Gain Va / Vb （5）需要注意， 从 Vb 点开始传输的信号， 通过回路（Loop）时会出现相位偏移（Phase Shift），最终到达 Va 点。相位偏移（Phase Shift）的多少决定了回路的稳定程度（Stability）。反馈（FEEDBACK）如前
10、所述，所有的稳压器都采用反馈（ Feedback）以使输出电压稳定。输出电压是通过电阻分压器进行采样的（图 6），并且该分压信号反馈到误差放大器的一个输入端，误差放大器的另一个输入端接参考电压，误差放大器将会调整输出到导通管（Pass Transistor）的输出电流以保持直流电压（DC Valtage）的稳定输出。为了达到稳定的回路就必须使用负反馈（Negative Feedback）。负反馈，有时亦称为改变极性的反馈（degenerative feedback），与源信号的极性相反（图 7：反馈信号的相位示意图）。负反馈与源(Source)的极性相反，它总会阻止输出的任何变化。也就是说，如
11、果输出电压想要变高（或变低），负反馈回路总会阻止，强制其回到正常值。正反馈（Positive Feedback）是指当反馈信号与源信号有相同的极性时就发生的反馈。此时，回路响应会与发生变化的方向一致。显而易见不能达到输出的稳定，不能消除输出电压的改变，反而将变化趋势扩大了。当然，不会有人在线性稳压器件中使用正反馈。但是如果出现 180的相移，负反馈就成为正反馈了。相位偏移（PHASE SHIFT）相位偏移就是反馈信号经过整个回路后出现的相位改变（Phase Change）的总和（相对起始点）。相位偏移，单位用度（Degrees）表示，通常使用网络分析仪（network analyzer）测量。
12、理想的负反馈信号与源信号相位差 180（如图 8：相位偏移示意图），因此它的起始点在180。在图 7 中可以看到这 180的偏置，也就是波型差半周。可以看到，从180开始，增加 180的相移，信号相位回到零度，就会使反馈信号与源信号的相位相同，从而使回路不稳定。相位裕度（PHASE MARGIN）相位裕度（Phase Margin，单位：度），定义为频率的回路增益等 0dB（单位增益，Unity Gain）时，反馈信号总的相位偏移与180的差。一个稳定的回路一般需要 20的相位裕度。相位偏移和相位裕度可以通过波特图中的零、极点计算获得。极点（POLES）极点（Pole）定义为增益曲线(Gain
13、 curve)中斜度（Slope）为20dB/十倍频程的点（图 9：波特图中的极点）。每添加一个极点，斜度增加 20dB/十倍频程。增加 n 个极点，n （20dB/十倍频程）。每个极点表示的相位偏移都与频率相关，相移从 0 到90（增加极点就增加相移）。最重要的一点是几乎所有由极点（或零点）引起的相移都是在十倍频程范围内。注意：一个极点只能增加90的相移，所以最少需要两个极点来到达180（不稳定点）。零点（ZEROS）零点（Zero）定义为在增益曲线中斜度为20dB/十倍频程的点（如图 10：波特图中的零点）。零点产生的相移为 0 到90，在曲线上有45角的转变。必须清楚零点就是“反极点”（
14、Anti-pole），它在增益和相位上的效果与极点恰恰相反。这也就是为什么要在 LDO 稳压器的回路中添加零点的原因，零点可以抵消极点。波特图分析用包含三个极点和一个零点的波特图（图 11：波特图）来分析增益和相位裕度。假设直流增益（DC gain）为 80dB，第一个极点（pole）发生在 100Hz 处。在此频率，增益曲线的斜度变为20dB/十倍频程。1kHz 处的零点使斜度变为 0dB/十倍频程，到10kHz 处斜度又变成20dB/十倍频程。在 100kHz 处的第三个也是最后一个极点将斜度最终变为40dB/十倍频程。图 11 中可看到单位增益点（Unity Gain Crossover
15、，0dB）的交点频率(Crossover Frequency)是 1MHz。0dB 频率有时也称为回路带宽（Loop Bandwidth）。相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。为了产生这个图，就要根据分布的零点、极点计算相移的总和。在任意频率（f）上的极点相移，可以通过下式计算获得：极点相移 -arctan(f/fp) （6）在任意频率（f）上的零点相移，可以通过下式计算获得：零点相移 -arctan(f/fz) （7）此回路稳定吗？为了回答这个问题，我们根本无需复杂的计算，只需要知道 0dB 时的相移（此例中是 1MHz）。前两个极点和第一个零点分布使相位从-180变到+90
16、，最终导致网络相位转变到-90。最后一个极点在十倍频程中出现了 0dB 点。代入零点相移公式，可以计算出该极点产生了84的相移（在 1MHz 时）。加上原来的-90相移，全部的相移是-174（也就是说相位裕度是 6）。由此得出结论，该回路不能保持稳定，可能会引起振荡。NPN 稳压器补偿NPN 稳压器的导通管（见图 1）的连接方式是共集电极的方式。所有共集电极电路的一个重要特性就是低输出阻抗， 意味着电源范围内的极点出现在回路增益曲线的高频部分。由于 NPN 稳压器没有固有的低频极点，所以它使用了一种称为主极点补偿（dominant pole compensation）的技术。方法是，在稳压器的
17、内部集成了一个电容，该电容在环路增益的低频端添加了一个极点（图 12：NPN 稳压器的波特图）。NPN 稳压器的主极点（Dominant Pole）， 用 P1 点表示， 一般设置在 100Hz 处。100Hz 处的极点将增益减小为20dB/十倍频程直到 3MHz 处的第二个极点（P2）。在 P2 处，增益曲线的斜率又增加了20dB/十倍频程。P2 点的频率主要取决于 NPN 功率管及相关驱动电路， 因此有时也称此点为功率极点（Ppower pole）。另外，P2 点在回路增益为10dB 处出现，也就表示了单位增益（0dB）频率处（1MHz）的相位偏移会很小。为了确定稳定性，只需要计算 0dB
18、 频率处的相位裕度。第一个极点（P1）会产生90的相位偏移，但是第二个极点（P2）只增加了18的相位偏移（1MHz 处）。也就是说 0dB 点处的相位偏移为108，相位裕度为 72，表明回路非常稳定。需要两个极点才有可能使回路要达到180的相位偏移（不稳定点），而极点 P2 又处于高频，它在 0dB 处的相位偏移就很小了。LDO 稳压器的补偿LDO 稳压器中的 PNP 导通管的接法为共射方式（common emitter）。它相对共集电极方式有更高的输出阻抗。由于负载阻抗和输出容抗的影响在低频程处会出现低频极点（lowfrequency pole）。此极点，又称负载极点（load pole），
19、用 Pl 表示。负载极点的频率由下式计算获得： F(Pl) 1 / (2 Rload Cout) （8）从此式可知，LDO 不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿。为什么? 先假设一个5V/50mA 的 LDO 稳压器有下面的条件,在最大负载电流时，负载极点（Pl）出现的频率为：Pl 1 / (2 Rload Cout)1/(2 100 10-5)160Hz （9）假设内部的补偿在 1kHz 处添加了一个极点。由于 PNP 功率管和驱动电路的存在，在500kHz 处会出现一个功率极点（Ppwr）。假设直流增益为 80dB。在最大输出电流时的负载阻值为 RL100，输出电容为 Cout 10uF
20、。使用上述条件可以画出相应的波特图（如图 13：未补偿的 LDO 增益波特图）。可以看出回路是不稳定的。极点 PL 和 P1 每个都会产生90的相移。在 0dB 处（此例为 40kHz），相移达到了180为了减少负相移（阻止振荡），在回路中必须要添加一个零点。一个零点可以产生90的相移，它会抵消两个低频极点的部分影响。因此，几乎所有的 LDO 都需要在回路中添加这个零点。该零点一般是通过输出电容的等效串联电阻（ESR）获得的。使用 ESR 补偿 LDO等效串联电阻（ESR）是电容的一个基本特性。可以将电容表示为电阻与电容的串联等效电路（图 14：电容器的等效电路图）。输出电容的 ESR 在回路
21、增益中产生一个零点，可以用来减少负相移。零点处的频率值（Fzero）与 ESR 和输出电容值密切相关：Fzero 1 / (2 Cout 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 1。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。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
22、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。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
