隨著便攜式設(shè)備(電池供電)在過(guò)去十年間的快速增長(zhǎng),象原來(lái)的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) LM340 和 LM317 這樣的穩(wěn)壓器件已經(jīng)無(wú)法滿足新的需要。這些穩(wěn)壓器使用NPN 達(dá)林頓管,在本文中稱其為NPN 穩(wěn)壓器(NPN regulators)。預(yù)期更高性能的穩(wěn)壓器件已經(jīng)由新型的低壓差(Low-dropout)穩(wěn)壓器(LDO)和準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器(quasi-LDO)實(shí)現(xiàn)了。
NPN 穩(wěn)壓器(NPN regulators)
在NPN穩(wěn)壓器(圖1:NPN穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖)的內(nèi)部使用一個(gè) PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng) NPN 達(dá)林頓管(NPN Darlington pass transistor),輸入輸出之間存在至少1.5V~2.5V的壓差(dropout voltage)。這個(gè)壓差為:
Vdrop = 2Vbe +Vsat(NPN 穩(wěn)壓器) (1)
圖1
LDO 穩(wěn)壓器(LDO regulators)
在LDO(Low Dropout)穩(wěn)壓器(圖2:LDO穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖)中,導(dǎo)通管是一個(gè)PNP管。LDO的最大優(yōu)勢(shì)就是PNP管只會(huì)帶來(lái)很小的導(dǎo)通壓降,滿載(Full-load)的跌落電壓的典型值小于500mV,輕載(Light loads)時(shí)的壓降僅有10~20mV。LDO的壓差為:
Vdrop = Vsat (LDO 穩(wěn)壓器) (2)
圖2
準(zhǔn)LDO 穩(wěn)壓器(Quasi-LDO regulators)
準(zhǔn)LDO(Quasi-LDO)穩(wěn)壓器(圖3: 準(zhǔn) LDO 穩(wěn)壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于某些場(chǎng)合,例如:5V到3.3V 轉(zhuǎn)換器。 準(zhǔn)LDO介于 NPN 穩(wěn)壓器和 LDO 穩(wěn)壓器之間而得名, 導(dǎo)通管是由單個(gè)PNP 管來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)NPN 管。 因此,它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO之間:
Vdrop = Vbe +Vsat (3)
圖3
穩(wěn)壓器的工作原理(Regulator Operation)
所有的穩(wěn)壓器,都利用了相同的技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定(圖4:穩(wěn)壓器工作原理圖)。輸出電壓通過(guò)連接到誤差放大器(Error Amplifier)反相輸入端(Inverting Input)的分壓電阻(Resistive Divider)采樣(Sampled),誤差放大器的同相輸入端(Non-inverting Input)連接到一個(gè)參考電壓Vref。 參考電壓由IC內(nèi)部的帶隙參考源(Bandgap Reference)產(chǎn)生。 誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此,它提供負(fù)載電流以保證輸出電壓穩(wěn)定:
Vout = Vref(1 + R1 / R2) (4)
圖4
性能比較(Performance Comparison)
NPN,LDO和準(zhǔn)LDO在電性能參數(shù)上的最大區(qū)別是:跌落電壓(Dropout Voltage)和地腳電流(Ground Pin Current)。跌落電壓前文已經(jīng)論述。為了便于分析,我們定義地腳電流為Ignd (參見(jiàn)圖4),并忽略了IC到地的小偏置電流。那么,Ignd等于負(fù)載電流IL除以導(dǎo)通管的增益。
NPN 穩(wěn)壓器中,達(dá)林頓管的增益很高(High Gain),所以它只需很小的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電流IL。這樣它的地腳電流Ignd也會(huì)很低,一般只有幾個(gè)mA。 準(zhǔn)LDO也有較好的性能,如國(guó)半(NS)的LM1085能夠輸出3A的電流卻只有10mA的地腳電流。
然而,LDO的地腳電流會(huì)比較高。在滿載時(shí),PNP管的β值一般是15~20。也就是說(shuō)LDO的地腳電流一般達(dá)到負(fù)載電流的7%。
NPN穩(wěn)壓器的最大好處就是無(wú)條件的穩(wěn)定,大多數(shù)器件不需額外的外部電容。 LDO在輸出端最少需要一個(gè)外部電容以減少回路帶寬(Loop Bandwidth)及提供一些正相位轉(zhuǎn)移(Positive Phase Shift)補(bǔ)償。 準(zhǔn)LDO一般也需要有輸出電容,但容值要小于LDO的并且電容的ESR局限也要少些。
反饋及回路穩(wěn)定性(Feedback and Loop Stability)
所有穩(wěn)壓器都使用反饋回路(Feedback Loop)以保持輸出電壓的穩(wěn)定。反饋信號(hào)在通過(guò)回路后都會(huì)在增益和相位上有所改變,通過(guò)在單位增益(Unity Gain,0dB)頻率下的相位偏移總量來(lái)確定回路的穩(wěn)定性。
波特圖(Bode Plots)
波特圖(Bode Plots)可用來(lái)確認(rèn)回路的穩(wěn)定性,回路的增益(Loop Gain,單位:dB)是頻率(Frequency)的函數(shù)(圖5:典型的波特圖)。 回路增益及其相關(guān)內(nèi)容在下節(jié)介紹。 回路增益可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀(Network Analyzer)測(cè)量。 網(wǎng)絡(luò)分析儀向反饋回路(Feedback Path)注入低電平的正弦波(Sine Wave),隨著直流電壓(DC)的不斷升高, 這些正弦波信號(hào)完成掃頻,直到增益下降到0dB。然后測(cè)量增益的響應(yīng)(Gain Response)。
圖5
波特圖是很方便的工具,它包含判斷閉環(huán)系統(tǒng)(Closed-loop System)穩(wěn)定性的所有必要信息。 包括下面幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù):環(huán)路增益(Loop Gain),相位裕度(Phase Margin)和零點(diǎn)(Zeros)、極點(diǎn)(Poles)。
評(píng)論
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