低压差稳压器的选择

文章摘要：图3 调整管示例对于给定的电源电压，双极型调整管可提供最大的输出电流。PNP优于NPN，因为PNP的基极可以与地连接，必要时使晶体管完全饱和。 NPN的基极只能与尽可能高的电源电压连接，从而使最小压降限制到一个VBE结压降。因此，NPN管和复合调整管不能提供小于1V的压差。然而它们在需要宽带宽和抗容性负载干扰时非常有用（因为它们具有低输出阻抗ZOUT特性）。PMOS和PNP晶体管可以快速达到饱和，从而能使调整管电压损耗和功耗最小，从而允许用作低压差、低功耗稳压器。PMOS调整管可以提供尽可能最低的电压降，大约等于RDS(ON)×IL。它允许达到最低的静态电流。PMOS调整管的主要缺

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图3 调整管示例
　　对于给定的电源电压，双极型调整管可提供最大的输出电流。PNP优于NPN，因为PNP的基极可以与地连接，必要时使晶体管完全饱和。 NPN的基极只能与尽可能高的电源电压连接，从而使最小压降限制到一个VBE结压降。因此，NPN管和复合调整管不能提供小于1V的压差。然而它们在需要宽带宽和抗容性负载干扰时非常有用（因为它们具有低输出阻抗ZOUT特性）。
　　PMOS和PNP晶体管可以快速达到饱和，从而能使调整管电压损耗和功耗最小，从而允许用作低压差、低功耗稳压器。PMOS调整管可以提供尽可能最低的电压降，大约等于RDS(ON)×IL。它允许达到最低的静态电流。PMOS调整管的主要缺点是MOS 晶体管通常用作外部器件—特别当控制大电流时—从而使IC构成一个控制器，而不能构成一个自身完整的稳压器。
　　一个完整稳压器的总功耗是    PD = (VIN – VOUT) IL + VINIGND
　　上面关系式的第一部分是调整管的功耗；第二部分是电路控制器部分的功耗。有些稳压器的接地电流，特别是那些用饱和双极型晶体管作调整管的稳压器，会在上电期间达到峰值。
确保LDO动态稳定性
　　适合普通应用的传统LDO稳压器设计存在稳定性问题。这个问题是由于反馈电路的性能、多种可能的负载、环路中元件的变化和难于获得具有一致性参数的精密补偿。下面将讨论这些考虑因素。LDO通常使用一个反馈环路在输出端提供一个与负载无关的恒定电压。因为对于任何高增益反馈环路来说，环路增益传递函数中极点和零点的位置都决定其稳定性。
　　基于NPN管的稳压器具有低阻抗射极负载输出，倾向于对输出容性负载很不敏感。然而，基于PNP管和PMOS管的稳压器具有较大的输出阻抗（在基于PNP 管的稳压器中具有高阻抗集电极负载）。此外，环路增益和相位特性强烈依赖负载阻抗，因此对于稳定性问题需要特别考虑。
　　基于PNP管的LDO和基于PMOS管的LDO的传递函数具有几个影响稳定性的极点：
　　•主极点（图4中的P0）由误差放大器决定；它是由放大器的gm通过内部补偿电容CCOMP一起控制和确定的。主极点对上述所有LDO结构都是共同的。
　　•第二极点（P1）由输出电抗（指输出电容和负载电容以及负载阻抗）决定。这使得应用问题更难处理，因为这些电抗会影响环路的增益和带宽。
　　•第三极点（P2）由调整管附近的寄生电容决定。在相同条件下，PNP功率晶体管的单位增益频率（fT）比NPN晶体管的fT低很多。

图4 LDO的幅频响应。
　　如图4所示，每个极点产生每10倍频程20dB的增益下降并且伴随90 °的相移。因为这里所讨论的LDO有多个极点，所以如果单位增益频率处的相移达到－180 °，线性稳压器会变得不稳定。图4还示出了容性负载对稳压器的影响，其等效串联电阻（ESR）会在传递函数中增加一个零点（ZESR）。该零点有助于补偿其中一个极点，并且如果该极点出现在单位增益频率以下时有助于稳定环路并且保持相应频点的相移低于－180 °。
　　ESR对于维持稳定性可能是至关重要的，特别对于使用纵向PNP调整管的LDO。然而，由于电容器的寄生特性，所以ESR不总是好控制。电路可能需要ESR集中在某个窗口范围内以确保LDO工作在对于所有输出电流都稳定的区域（见图5）。

图5 稳定性随输出电流IOUT和负载电容的ESR变化。
　　虽然原则上选择具有合适ESR的合适电容器（要求频率响应曲线在穿过0 dB之前下降得足够快，并且在达到相关极点P2之前向低于0 dB增益方向减小得足够满）非常困难。实际考虑还会增加更多的困难：ESR随着产品型号变化；大批量生产使用的最小电容值需要进行基准测试，包括最小环境温度和最大负载的极端条件。电容器类型的选择也很重要。最合适的电容器是钽电解电容器，尽管具有大容量的钽电解电容器尺寸很大。多层陶瓷电容类型无法为普通的LDO提供足够的电容，但是它们这种稳定的低电容适合于新型LDO。铝电解电容器的尺寸很小，但其ESR在低温时会变差，并且在－30 °C以下无法正常工作。

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