LDO的内部原理-工作过程与应用

LDO原理与应用田毅内容电压调节器分类Chargepump(inductorlessDC-DC)DC-DC(inductor)线性电源LDO原理介绍LDO参数具体实例电压调节器分类线性电源传统线性电源低压差线性电源（LDO)开关类电源Chargepump(inductorlessDC-DC)DC-DC(inductor)Chargepump（电荷泵）原理CONTROL/CLOCKC+C-VOUTGNDVINSHDNS1S2S3S4CoutCinCfly倍压电荷泵示意图(Vout=2xVin)CINCFLYCOUTS1S4S3S2VINVOUT+-+-ICFLYCINVIN++CINCFLYCOUTS1S4S3S2VINVOUT+-+-ICINCFLYCOUTVOUTVIN+-+-+-工作过程1:对电容CFLY充电工作过程2:倍压输出倍压电荷泵过程1等效电路:过程2等效电路:可调电压电荷泵工作原理:CONTROLVREF+-GNDSHDNS1S2S3S4VINCinVOUTCoutC+C-Cfly•通过反馈控制电容Cfly的充放电时间，实现调节输出电压的目的DC-DC(inductor)原理框图电子开关整流滤波电路比较电路占空比控制电路V’OVOVREFR1R2VINStepDown“Buck”ConverterD1L1Q1CoutCinVin+Vin-Vout+Vout-D1L1Q1CoutCinVin+Vin-Vout+Vout-D1L1Q1CoutCinVin+Vin-Vout+Vout-Q2D1outinoutinVVDVVinoutinoutinVDV1DVVVinoutoutinVV1DVVStepUP“Boost”ConverterStepUp/StepDown“Buck-Boost”ConverterDC-DCinoutoutinVV1DVVinoutoutinVV1DVV线性电源、开关电源优点外围器件少，PCB面积小，花费少无开关噪声，纹波小缺点降压输出效率低，功耗大哪个更好？？优点可升压、可降压效率高，功耗小缺点设计更复杂，外围器件多，花费也较高输出纹波大线性电源开关电源线性稳压器原理框图调整元件基准电压源误差放大器反馈网络（取样电路）调整元件误差放大基准电压+-Ui取样负载UL用分立元件搭的LDO调整元件误差放大基准电压取样电路工作原理电路开始启动，恒流源电路给整个电路提供偏置，基准源电压快速建立输出随着输入不断上升，输出达到规定值误差放大器将输出反馈电压和基准电压之间的误差小信号进行放大，再经调整管放大到输出，从而形成负反馈，保证了输出电压稳定输入电压变化或输出电流变化，这个闭环回路将使输出电压保持不变VOUT=（R1+R2）/R2*Vref集成LDO结构图实际电路比原理框图多了启动电路和保护电路齐纳二极管或带隙基准源达林顿管PNP管PMOSNMOS过流保护热保护一些复杂的LDO还会加过压保护、欠压保护、反接保护等传统线性稳压器调整管基准电压源对输出电压影响最大稳定性好，低温漂，高精度，内阻小带隙基准电压源利用硅能带与价带之间的禁带带隙能量作为基准，因为这个能量几乎是不变的，即通常所说的带隙基准电压源。稳定的基准电压源要求要有不随电压源电压变化的电流偏置电路。一般的偏置电路需要一个启动电路带隙基准电压源pn结二极管产生电压VBE，温度系数为-2.0mV/℃；热电压VT=KT/q，温度系数为+0.085mV/℃。BEVREFBETVVKVK=2.2/0.085=23.5，在理论实现零温度系数由于该电压等于硅的带隙电压（外推到绝对温度），所以这类基准电路也叫“带隙”基准电路。注：实际上利用的不是带隙电压，有些Bandgap结构输出电压与带隙电压也不一致0.650.02623.51.26REFVV带启动电路的自偏置电路开始上电，由于上半部分镜像电流源处于零电流状态，节点1处于高电位，同样下半部分也处于零电流状态，节点3处于低电位，MP1导通，2节点电位被拉高，MN1导通，这样节点1被拉低，说明镜像电流源中的管子导通，有电流流过偏置电路，电流持续上升，当到达工作点B时，节点3被拉高，将MP1关断，节点2电位下降，直到MN1关断，这样启动电路完全脱离偏置电路，偏置电路稳定的工作在工作点B处。带隙基准原理图231lnREFTEBRVnmVVR误差放大器误差放大一般采用三级结构，与集成运放相似差分输入级提电路共模抑制比，并且输入电阻很大电压放大级进一步提高电路增益输出级一般除了提高电路增益外，最主要的作用是提高输出摆幅，最大可能的减小输出电阻偏置电路为电路的三部分提供合适的静态工作点偏置。调整管NPN稳压器（NPNregulators）在NPN稳压器的内部使用一个PNP管来驱动NPN达林顿管（NPNDarlingtonpasstransistor），输入输出之间存在至少1.5V～2.5V的压差（dropoutvoltage）。这个压差为：Vdrop＝2Vbe＋Vsat（NPN稳压器）调整管准LDO稳压器（Quasi-LDOregulators）另一种广泛应用于某些场合是准LDO（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：Vdrop＝Vbe＋Vsat调整管LDO稳压器（LDOregulators）在LDO(LowDropout)稳压器中，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，满载的跌落电压的典型值小于500mV，轻载时的压降仅有10～20mV。LDO的压差为：Vdrop＝Vsat调整管LDO稳压器（LDOregulators）由P沟道MOS管构成的PMOS超低压差线性稳压器(VLDO)，其压差可降至100mV左右。由N沟道MOS管构成的NMOSVLDO，其压差压差可低至几十毫伏。Vdrop＝RDS(ON)IO5种结构比较三极管电流驱动、MOS管电压驱动三极管静态损耗大，MOS管静态损耗很小双极性管子由于其电流增益比较大，可以为负载提供相当大的电流，MOS管提供的电流相对较小NMOS的源端与负载并联使得输出端是一个低阻抗节点，LDO的输出阻抗比较小且受负载波动的影响弱，输出端上的极点处在高频区域。但为了导通NMOS管，G端至少比S端高一个阈值电压，一般情况0．7V。如果所要求的压降幅度比较小，那么不得不考虑另外设计升压电路电荷泵来提高NMOS的G端电位，电路因此会变复杂。PMOS的漏端与负载并联使得输出端是一个高阻抗节点，LDO的输出阻抗大且受负载电阻影响。输出端会给系统引入一个位于低频段的极点，为系统的稳定性带来影响。分立元件搭的LDOLDO工作原理调整元件误差放大基准电压取样电路4.24V+1.8V_LDOVGS=2.46V1.78VVDS=1.52V+1.8V_LDO为什么不直接使用运放？1.一般的运放输出电压比电源电压小2——3V(轨到轨运放输出电压可接近电源电压）2.运放带负载能力很弱，一般输出电流10几毫安，大的也就100mA左右，而且贵加三极管或MOS起扩流作用idgVOdsVDDRVi共漏放大可以看成一个带负载能力很强（输出大电流）的运放取样后接入负端形成负反馈ViVoVgVsVgVo↓取样后接入正端形成负反馈调整管工作原理100200300400VDS/VID/mA0.40.81.21.62.000VGS=2.3V2.4V2.5V2.6V2.7V2.8V2.9V3.0VP1P2P3P4P51.LDO正常工作在点P12.负载电阻降低，输出电流增大，输出电压Vo降低，VGS增大，VDS增大，工作点移动到P23.反馈电压降低，放大器输出(VG)增大4.共源放大，0AV1。VS(VO)增大，VGS增大，VDS减小，ID增大。工作点移到P35.VF与VREF之差趋于0，个系统恢复了平衡。LDO频率补偿所有稳压器都使用反馈回路（FeedbackLoop）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（UnityGain，0dB）频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。引入反馈的电路必须考虑回路稳定性问题。负反馈越深，也容易自激振荡。为了提高放大器在深度负反馈条件下的工作稳定性，一般采用的消振方法为频率补偿（相位补偿）极点（POLES）极点（Pole）定义为增益曲线(Gaincurve)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。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”（Anti-pole）,它在增益和相位上的效果与极点恰恰相反。在LDO稳压器的回路中添加零点可以抵消极点。LDO频率响应112pOOfRC312poaparfRC212pESRbfRC12zESROfRCLDO主要参数压差静态电流待机电流瞬态响应线性调整率负载调整率电源抑制比精度功耗压差压差是LDO线性稳压器最重要的参数，它是指系统能够调节地，使输出稳定在期望输出的最小输入电压和输出电压值差，也就是说这个输入电压将是系统能够调整地最小输入电压，比这更小的电压，输入与输出将成线性关系下降，这一临界输入电压值去期望输出值所得的结果，就是ＬＤＯ线性稳压器的压差电压。德州仪器（TI）电压差定义为输出电压较其标称值跌落2％的输入、输出电压的差值.其它的如，美信（Maxim），圣邦微电子(SGMC)电压差定义为输出电压较其标称值小于100mV时的输入、输出电压的差值静态电流静态电流定义为输入输出电流之差，它反映了LDO内部电路的功率消耗，静态电流主要由偏置电流（提供给误差放大器、基准电压源和采样电阻）与调整管的驱动电流组成，可以表示为IQ=Iin-Io对于双级型晶体管，静态电流随着负载电流成比例的增加，因为双级型晶体管是电流驱动器件对于MOS管，静态电流很小，几乎不随负载的变化而变化，几乎是一个恒定值，因为MOS管是电压驱动器件PNPLDO的地脚电流会比较高。在满载时，PNP管的β值一般是15～20。也就是说LDO的地脚电流一般达到负载电流的7%。达林管和准LDO的静态电流较小。在应用中如果对静态电流的消耗比较苛刻的话，最好是采用MOS管作为调整管的LDO待机电流待机电流是指带有使能信号的LDO，当该信号关闭的时候LDO消耗的电流。参考电压和误差放大器同样也处于不供电的状态。可以进一步减小功耗。瞬态响应瞬态响应为负载电流突变时引起输出电压的最大变化，它是输出电容Co及其等效串联电阻ESR和旁路电容Cb的函数，其中Cb的作用是提高负载瞬态响应能力，也起到了为电路高频旁路的作用。为了获得更好的瞬态响应，LDO需要更宽的带宽，更大的输出容量，低ESR电容（当然要满足CSR要求）线性调整率线性调整率定义了输入变化对输出的影响，即在负载一定的情况下，输出电压变化量和输入电压变化量之比|OUToINVLIConsVS要减小线性调整率SL，可以提高误差运放的放大倍数和增大调整管的跨导。1221||OUTooINVLIConsIConsVmDSeqRRSRAgRR负载调整率负载调整率SZ是指在输入电压不变的条件下，负载发生变