1、1,LDO原理與應(yīng)用,田毅,2,內(nèi)容,電壓調(diào)節(jié)器分類 Charge pump (inductor less DC-DC) DC-DC (inductor) 線性電源 LDO原理介紹 LDO參數(shù) 具體實(shí)例,3,電壓調(diào)節(jié)器分類,線性電源 傳統(tǒng)線性電源 低壓差線性電源（LDO) 開(kāi)關(guān)類電源 Charge pump (inductor less DC-DC) DC-DC (inductor),4,Charge pump（電荷泵）,原理,倍壓電荷泵示意圖 (Vout = 2 x Vin),5,工作過(guò)程1: 對(duì)電容CFLY充電,工作過(guò)程2: 倍壓輸出,倍壓電荷泵,過(guò)程1等效電路:,過(guò)程2等效電路:,6,可

2、調(diào)電壓電荷泵,工作原理:,通過(guò)反饋控制電容Cfly的充放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的,7,DC-DC (inductor),原理框圖,電子開(kāi)關(guān),整流濾波電路,比較電路,占空比控制電路,VO,VO,VREF,R1,R2,VIN,8,Step Down “Buck” Converter,Step UP “Boost” Converter,Step Up / Step Down “Buck - Boost” Converter,DC-DC,9,線性電源、開(kāi)關(guān)電源,優(yōu)點(diǎn) 外圍器件少，PCB面積小，花費(fèi)少 無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，紋波小 缺點(diǎn) 降壓輸出 效率低，功耗大,哪個(gè)更好？,優(yōu)點(diǎn) 可升壓、可降壓 效率高，功

3、耗小 缺點(diǎn) 設(shè)計(jì)更復(fù)雜，外圍器件多，花費(fèi)也較高 輸出紋波大,線性電源,開(kāi)關(guān)電源,10,線性穩(wěn)壓器原理框圖,調(diào)整元件 基準(zhǔn)電壓源 誤差放大器 反饋網(wǎng)絡(luò)（取樣電路）,11,用分立元件搭的LDO,調(diào)整元件,誤差放大,基準(zhǔn)電壓,取樣電路,12,工作原理,電路開(kāi)始啟動(dòng)，恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立 輸出隨著輸入不斷上升，輸出達(dá)到規(guī)定值 誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定 輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變,VOUT=（R1+R2）/R2 * Vref,13,集成LDO結(jié)構(gòu)圖,實(shí)

4、際電路比原理框圖多了啟動(dòng)電路和保護(hù)電路,齊納二極管或帶隙基準(zhǔn)源,達(dá)林頓管 PNP管 PMOS NMOS,過(guò)流保護(hù) 熱保護(hù),一些復(fù)雜的LDO還會(huì)加過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、反接保護(hù)等,傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器調(diào)整管,14,基準(zhǔn)電壓源,對(duì)輸出電壓影響最大 穩(wěn)定性好，低溫漂，高精度，內(nèi)阻小 帶隙基準(zhǔn)電壓源,利用硅能帶與價(jià)帶之間的禁帶帶隙能量作為基準(zhǔn)，因?yàn)檫@個(gè)能量幾乎是不變的，即通常所說(shuō)的帶隙基準(zhǔn)電壓源。穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源要求要有不隨電壓源電壓變化的電流偏置電路。一般的偏置電路需要一個(gè)啟動(dòng)電路,15,帶隙基準(zhǔn)電壓源,pn結(jié)二極管產(chǎn)生電壓VBE，溫度系數(shù)為-2.0mV/； 熱電壓VT=KT/q，溫度系數(shù)為+0.085mV

5、/。,K=2.2/0.085=23.5，在理論實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù),由于該電壓等于硅的帶隙電壓（外推到絕對(duì)溫度），所以這類基準(zhǔn)電路也叫“帶隙”基準(zhǔn)電路。,注：實(shí)際上利用的不是帶隙電壓，有些Bandgap結(jié)構(gòu)輸出電壓與帶隙電壓也不一致,16,帶啟動(dòng)電路的自偏置,電路開(kāi)始上電，由于上半部分鏡像電流源處于零電流狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)1處于高電位，同樣下半部分也處于零電流狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)3處于低電位，MP1導(dǎo)通，2節(jié)點(diǎn)電位被拉高，MN1導(dǎo)通，這樣節(jié)點(diǎn)1被拉低，說(shuō)明鏡像電流源中的管子導(dǎo)通，有電流流過(guò)偏置,電路，電流持續(xù)上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作點(diǎn)B時(shí)，節(jié)點(diǎn)3被拉高，將MP1關(guān)斷，節(jié)點(diǎn)2電位下降，直到MN1關(guān)斷，這樣啟動(dòng)電路完全脫離偏置電

6、路，偏置電路穩(wěn)定的工作在工作點(diǎn)B處。,17,帶隙基準(zhǔn)原理圖,18,誤差放大器,誤差放大一般采 用三級(jí)結(jié)構(gòu)，與 集成運(yùn)放相似 差分輸入級(jí)提電 路共模抑制比，并且輸入電阻很大 電壓放大級(jí)進(jìn)一步提高電路增益 輸出級(jí)一般除了提高電路增益外，最主要的作用是提高輸出擺幅，最大可能的減小輸出電阻 偏置電路為電路的三部分提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)偏置。,19,調(diào)整管,NPN 穩(wěn)壓器（NPN regulators） 在NPN穩(wěn)壓器的內(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 voltag

7、e）。這個(gè)壓差為： Vdrop 2Vbe Vsat （NPN 穩(wěn)壓器）,20,調(diào)整管,準(zhǔn)LDO 穩(wěn)壓器（Quasi-LDO regulators）,另一種廣泛應(yīng)用于某些場(chǎng)合是準(zhǔn)LDO（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： VdropVbe Vsat,21,調(diào)整管,LDO 穩(wěn)壓器（LDO regulators）,在LDO(Low Dropout)穩(wěn)壓器中，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，滿載的 跌落電壓

8、的典型值小于 500mV，輕載時(shí)的壓降 僅有1020mV。LDO 的壓差為： Vdrop Vsat,22,調(diào)整管,LDO 穩(wěn)壓器（LDO regulators）,由 P溝道 MOS管構(gòu)成的 PMOS 超低壓差線性穩(wěn)壓器(VLDO)，其壓差可降至 100mV左右。由 N溝道 MOS管構(gòu)成的NMOSVLDO，其壓差壓差可低至幾十毫伏。 Vdrop RDS(ON)IO,23,壓降電壓.,24,5種結(jié)構(gòu)比較,三極管電流驅(qū)動(dòng)、MOS管電壓驅(qū)動(dòng) 三極管靜態(tài)損耗大，MOS管靜態(tài)損耗很小 雙極性管子由于其電流增益比較大，可以為負(fù)載提供相當(dāng)大的電流，MOS管提供的電流相對(duì)較小,25,NMOS的源端與負(fù)載并聯(lián)使得

9、輸出端是一個(gè)低阻抗節(jié)點(diǎn)，LDO的輸出阻抗比較小且受負(fù)載波動(dòng)的影響弱，輸出端上的極點(diǎn)處在高頻區(qū)域。但為了導(dǎo)通NMOS管，G端至少比S端高一個(gè)閾值電壓，一般情況07V。如果所要求的壓降幅度比較小，那么不得不考慮另外設(shè)計(jì)升壓電路電荷泵來(lái)提高NMOS的G端電位，電路因此會(huì)變復(fù)雜。,PMOS的漏端與負(fù)載并聯(lián)使得輸出端是一個(gè)高阻抗節(jié)點(diǎn)，LDO的輸出阻抗大且受負(fù)載電阻影響。輸出端會(huì)給系統(tǒng)引入一個(gè)位于低頻段的極點(diǎn)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。,26,分立元件搭的LDO,27,LDO工作原理,調(diào)整元件,誤差放大,基準(zhǔn)電壓,取樣電路,4.24V,+1.8V_LDO,VGS=2.46V,1.78V,VDS=1.52V,

10、+1.8V_LDO,為什么不直接使用運(yùn)放？ 1.一般的運(yùn)放輸出電壓比電源電源小23V(軌到軌運(yùn)放輸出電壓可接近電源電壓） 2.運(yùn)放帶負(fù)載能力很弱，一般輸出電流10幾毫安，大的也就100mA左右，而且貴,加三極管或MOS起擴(kuò)流作用,28,共漏放大,可以看成一個(gè)帶負(fù)載能力很強(qiáng)（輸出大電流）的運(yùn)放,取樣后接入負(fù)端形成負(fù)反饋,Vi Vo ,Vg Vs ,Vg Vo ,取樣后接入正端形成負(fù)反饋,29,調(diào)整管工作原理,VDS/V,ID/mA,0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,0,0,VGS=2.3V,2.4V,2.5V,2.6V,2.7V,2.8V,2.9V,3.0V,P1,P2,P3,P4,P5,

11、1.LDO正常工作在點(diǎn)P1,2. 負(fù)載電阻降低，輸出電流增大，輸出電壓Vo降低，VGS增大，VDS增大，工作點(diǎn)移動(dòng)到P2,3. 反饋電壓降低，放大器輸出(VG)增大,4. 共源放大，0AV1。VS(VO)增大，VGS增大，VDS減小，ID增大。工作點(diǎn)移到P3,5. VF與VREF之差趨于0，個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)了平衡。,30,31,LDO頻率補(bǔ)償,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。 引入反饋的電路必須考慮回路穩(wěn)定性問(wèn)題。負(fù)反饋越

12、深，也容易自激振蕩。為了提高放大器在深度負(fù)反饋條件下的工作穩(wěn)定性，一般采用的消振方法為頻率補(bǔ)償（相位補(bǔ)償）,32,極點(diǎn)（POLES）,極點(diǎn)（Pole）定義為增益曲線(Gain curve)中斜度（Slope）為20dB/十倍頻程的點(diǎn)（圖9：波特圖中的極點(diǎn)）。每添加一個(gè)極點(diǎn)，斜度增加20dB/十倍頻程。增加n個(gè)極點(diǎn)，n （20dB/十倍頻程）。每個(gè)極點(diǎn)表示的相位偏移都與頻率相關(guān)，相移從0到90（增加極點(diǎn)就增加相移）。最重要的一點(diǎn)是幾乎所有由極點(diǎn)（或零點(diǎn)）引起的相移都是在十倍頻程范圍內(nèi)。,注意：一個(gè)極點(diǎn)只能增加90的相移，所以最少需要兩個(gè)極點(diǎn)來(lái)到達(dá)180（不穩(wěn)定點(diǎn)）。,33,零點(diǎn)（ZEROS）,零

13、點(diǎn)（Zero）定義為在增益曲線中斜度為20dB/十倍頻程的點(diǎn)。零點(diǎn)產(chǎn)生的相移為0到90，在曲線上有45角的轉(zhuǎn)變。必須清楚零點(diǎn)就是“反極點(diǎn)” （Anti-pole）,它在增益 和相位上的效果與極點(diǎn) 恰恰相反。在LDO穩(wěn)壓 器的回路中添加零點(diǎn)可 以抵消極點(diǎn)。,34,LDO頻率響應(yīng),35,LDO主要參數(shù),壓差 靜態(tài)電流 待機(jī)電流 瞬態(tài)響應(yīng) 線性調(diào)整率 負(fù)載調(diào)整率 電源抑制比 精度 功耗,36,壓差,壓差是LDO線性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，它是指系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)地，使輸出穩(wěn)定在期望輸出的最小輸入電壓和輸出電壓值差，也就是說(shuō)這個(gè)輸入電壓將是系統(tǒng)能夠調(diào)整地最小輸入電壓，比這更小的電壓，輸入與輸出將成線性關(guān)系下降，

14、這一臨界輸入電壓值去期望輸出值所得的結(jié)果，就是線性穩(wěn)壓器的壓差電壓。,德州儀器（TI）電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱值跌落2的輸入、輸出電壓的差值.其它的如，美信（Maxim），圣邦微電子(SGMC)電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱值小于100mV時(shí)的輸入、輸出電壓的差值,37,靜態(tài)電流,靜態(tài)電流定義為輸入輸出電流之差，它反映了LDO內(nèi)部電路的功率消耗，靜態(tài)電流主要由偏置電流（提供給誤差放大器、基準(zhǔn)電壓源和采樣電阻）與調(diào)整管的驅(qū)動(dòng)電流組成，可以表示為 IQ=Iin-Io,對(duì)于雙級(jí)型晶體管，靜態(tài)電流隨著負(fù)載電流成比例的增加，因?yàn)殡p級(jí)型晶體管是電流驅(qū)動(dòng)器件,對(duì)于MOS管，靜態(tài)電流很小，幾乎不隨負(fù)載的變化

15、而變化，幾乎是一個(gè)恒定值，因?yàn)镸OS管是電壓驅(qū)動(dòng)器件,PNP LDO的地腳電流會(huì)比較高。在滿載時(shí)，PNP管的值一般是1520。也就是說(shuō)LDO的地腳電流一般達(dá)到負(fù)載電流的7% 。達(dá)林管和準(zhǔn)LDO的靜態(tài)電流較小。在應(yīng)用中如果對(duì)靜態(tài)電流的消耗比較苛刻的話，最好是采用MOS管作為調(diào)整管的LDO,38,待機(jī)電流,待機(jī)電流是指帶有使能信號(hào)的LDO，當(dāng)該信號(hào)關(guān)閉的時(shí)候LDO消耗的電流。參考電壓和誤差放大器同樣也處于不供電的狀態(tài)?？梢赃M(jìn)一步減小功耗。,39,瞬態(tài)響應(yīng),瞬態(tài)響應(yīng)為負(fù)載電流突變時(shí)引起輸出電壓的最大變化，它是輸出電容Co及其等效串聯(lián)電阻ESR和旁路電容Cb的函數(shù)，其中Cb的作用是提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力

16、，也起到了為電路高頻旁路的作用 。,為了獲得更好的瞬態(tài)響應(yīng)，LDO需要更寬的帶寬，更大的輸出容量，低ESR電容（當(dāng)然要滿足CSR要求）,40,線性調(diào)整率,線性調(diào)整率定義了輸入變化對(duì)輸出的影響，即在負(fù)載一定的情況下，輸出電壓變化量和輸入電壓變化量之比,要減小線性調(diào)整率SL，可以提高誤差運(yùn)放的放大倍數(shù)和增大調(diào)整管的跨導(dǎo)。,41,負(fù)載調(diào)整率,負(fù)載調(diào)整率SZ是指在輸入電壓不變的條件下，負(fù)載發(fā)生變化時(shí)對(duì)輸出電壓的影響，即輸出變化量與負(fù)載電流變化量的比值，即有,和線性調(diào)整率一樣，負(fù)載調(diào)整率SZ和誤差放大器的放大倍數(shù)A及調(diào)整管的跨導(dǎo)有關(guān)，為了減小負(fù)載調(diào)整率可以提高這兩個(gè)量的值。,42,紋波抑制比,電源噪聲抑制比也被叫做紋波抑制比。是衡量LDO對(duì)輸入電壓電源變動(dòng)抑制的一種能力，與線性調(diào)整率不同的一點(diǎn)是，紋波抑制比需要考慮很寬的頻率范圍。,控制環(huán)路往往是決定紋波抑制比的主要因素，大的輸出電容，低ESR ，追加旁路電容能夠改善紋波抑制比。當(dāng)然前提條件是能夠滿足 ESRCSR的要求,43,精度,考慮到 線性調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，參考電壓漂移，誤差放大器電壓漂移，外部取樣電阻的精度，溫度系數(shù)等綜合參數(shù)的總體 LDO影響，我們有了精度這個(gè)概念。,對(duì)LDO輸出電壓變化影響最大的是溫度。因?yàn)閰⒖茧妷汉驼`差放大器對(duì)溫度的變化比較敏感。其次是電阻的精度。線性調(diào)整率