LDO的工作原理詳細(xì)分析

　　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）。
回路增益（LOOP GAIN）

　　閉環(huán)系統(tǒng)（Closed-loop System）有個(gè)特性稱為回路增益（Loop Gain）。在穩(wěn)壓電路中，回路增益定義為反饋信號(hào)（Feedback Signal）通過(guò)整個(gè)回路后的電壓增益（Voltage Gain）。為了更好的解釋這個(gè)概念，LDO的結(jié)構(gòu)框圖（圖2）作如下修改（圖6：回路增益的測(cè)量方法）。

圖6

　　變壓器（Transformer）用來(lái)將交流信號(hào)（AC Signal）注入（Inject）到“A”、“‘B”點(diǎn)間的反饋回路。借助這個(gè)變壓器，用小信號(hào)正弦波（Small-signal Sine Wave）來(lái)“調(diào)制”（modulate）反饋信號(hào)?？梢詼y(cè)量出A、B兩點(diǎn)間的交流電壓（AC Voltage），然后計(jì)算回路增益?；芈吩鲆娑x為兩點(diǎn)電壓的比（Ratio）： Loop Gain ＝ Va / Vb （5）

　　需要注意， 從Vb點(diǎn)開(kāi)始傳輸?shù)男盘?hào)， 通過(guò)回路（Loop）時(shí)會(huì)出現(xiàn)相位偏移（Phase Shift），最終到達(dá)Va點(diǎn)。相位偏移（Phase Shift）的多少?zèng)Q定了回路的穩(wěn)定程度（Stability）。

　　反饋（FEEDBACK）

　　如前所述，所有的穩(wěn)壓器都采用反饋（ Feedback）以使輸出電壓穩(wěn)定。輸出電壓是通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行采樣的（圖6），并且該分壓信號(hào)反饋到誤差放大器的一個(gè)輸入端，誤差放大器的另一個(gè)輸入端接參考電壓，誤差放大器將會(huì)調(diào)整輸出到導(dǎo)通管（Pass Transistor）的輸出電流以保持直流電壓（DC Valtage）的穩(wěn)定輸出。

　　為了達(dá)到穩(wěn)定的回路就必須使用負(fù)反饋（Negative Feedback）。負(fù)反饋，有時(shí)亦稱為改變極性的反饋（degenerative feedback），與源信號(hào)的極性相反（圖7：反饋信號(hào)的相位示意圖）。

圖7

　　負(fù)反饋與源（Source）的極性相反，它總會(huì)阻止輸出的任何變化。也就是說(shuō)，如果輸出電壓想要變高（或變低），負(fù)反饋回路總會(huì)阻止，強(qiáng)制其回到正常值。

　　正反饋（Positive Feedback）是指當(dāng)反饋信號(hào)與源信號(hào)有相同的極性時(shí)就發(fā)生的反饋。此時(shí)，回路響應(yīng)會(huì)與發(fā)生變化的方向一致。顯而易見(jiàn)不能達(dá)到輸出的穩(wěn)定，不能消除輸出電壓的改變，反而將變化趨勢(shì)擴(kuò)大了。

　　當(dāng)然，不會(huì)有人在線性穩(wěn)壓器件中使用正反饋。但是如果出現(xiàn)180°的相移，負(fù)反饋就成為正反饋了。

　　相位偏移（PHASE SHIFT）

　　相位偏移就是反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)整個(gè)回路后出現(xiàn)的相位改變（Phase Change）的總和（相對(duì)起始點(diǎn)）。相位偏移，單位用度（Degrees）表示，通常使用網(wǎng)絡(luò)分析儀（network analyzer）測(cè)量。理想的負(fù)反饋信號(hào)與源信號(hào)相位差180°（如圖8：相位偏移示意圖），因此它的起始點(diǎn)在－180°。在圖7中可以看到這180°的偏置，也就是波型差半周。

圖8

　　可以看到，從－180°開(kāi)始，增加180°的相移，信號(hào)相位回到零度，就會(huì)使反饋信號(hào)與源信號(hào)的相位相同，從而使回路不穩(wěn)定。

　　相位裕度（PHASE MARGIN）

　　相位裕度（Phase Margin，單位：度），定義為頻率的回路增益等 0dB（單位增益，Unity Gain）時(shí)，反饋信號(hào)總的相位偏移與－180°的差。一個(gè)穩(wěn)定