LDO穩壓器工作原理

admin @ 2014-03-26 , reply:0

      隨著攜帶型設備(電池供電)在過去十年間的快速增長,象原來的業界標準 LM340 和 LM317 這樣的穩壓器件已經無法滿足新的需要。這些穩壓器使用NPN 達林頓管,在本文中稱其為NPN 穩壓器(NPN regulators)。預期更高性能的穩壓器件已經由新型的低壓差(Low-dropout)穩壓器(LDO)和准LDO穩壓器(quasi-LDO)實現了。
(原文:Linear Regulators: Theory of Operation and Compensation )

NPN 穩壓器(NPN regulators)
      在NPN穩壓器(圖1:NPN穩壓器內部結構框圖)的內部使用一個 PNP管來驅動 NPN 達林頓管(NPN Darlington pass transistor),輸入輸出之間存在至少1.5V~2.5V的壓差(dropout voltage)。這個壓差為:
           Vdrop = 2Vbe +Vsat(NPN 穩壓器)                                    (1)
 
       
LDO 穩壓器(LDO regulators)
      在LDO(Low Dropout)穩壓器(圖2:LDO穩壓器內部結構框圖)中,導通管是一個PNP管。LDO的最大優勢就是PNP管只會帶來很小的導通壓降,滿載(Full-load)的跌落電壓的典型值小於500mV,輕載(Light loads)時的壓降僅有10~20mV。LDO的壓差為:
            Vdrop = Vsat (LDO 穩壓器)                                            (2)
 
          
准LDO 穩壓器(Quasi-LDO regulators)
      准LDO(Quasi-LDO)穩壓器(圖3: 准 LDO 穩壓器內部結構框圖)已經廣泛應用於某些場合,例如:5V到3.3V 轉換器。 准LDO介於 NPN 穩壓器和 LDO 穩壓器之間而得名, 導通管是由單個PNP 管來驅動單個NPN 管。 因此,它的跌落壓降介於NPN穩壓器和LDO之間:
            Vdrop = Vbe +Vsat                                                                  (3)
 
        
穩壓器的工作原理(Regulator Operation)
      所有的穩壓器,都利用了相同的技術實現輸出電壓的穩定(圖4:穩壓器工作原理圖)。輸出電壓通過連接到誤差放大器(Error Amplifier)反相輸入端(Inverting Input)的分壓電阻(Resistive Divider)採樣(Sampled),誤差放大器的同相輸入端(Non-inverting Input)連接到一個參考電壓Vref。 參考電壓由IC內部的帶隙參考源(Bandgap Reference)產生。 誤差放大器總是試圖迫使其兩端輸入相等。為此,它提供負載電流以保證輸出電壓穩定:
           Vout = Vref(1 + R1 / R2)                                                     (4)
 
       
性能比較(Performance Comparison)
      NPN,LDO和准LDO在電性能參數上的最大區別是:跌落電壓(Dropout  Voltage)和地腳電流(Ground Pin Current)。跌落電壓前文已經論述。為了便於分析,我們定義地腳電流為Ignd (參見圖4),並忽略了IC到地的小偏置電流。那麼,Ignd等於負載電流IL除以導通管的增益。
      NPN 穩壓器中,達林頓管的增益很高(High Gain), 所以它只需很小的電流來驅動負載電流IL。這樣它的地腳電流Ignd也會很低,一般只有幾個mA。 准LDO也有較好的性能,如國半(NS)的LM1085能夠輸出3A的電流卻只有10mA的地腳電流。
      然而,LDO的地腳電流會比較高。在滿載時,PNP管的β值一般是15~20。也就是說LDO的地腳電流一般達到負載電流的7%。
      NPN穩壓器的最大好處就是無條件的穩定,大多數器件不需額外的外部電容。 LDO在輸出端最少需要一個外部電容以減少迴路帶寬(Loop Bandwidth)及提供一些正相位轉移(Positive Phase Shift)補償。 准LDO一般也需要有輸出電容,但容值要小於LDO的並且電容的ESR局限也要少些。 



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