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如何提高低靜態(tài)電流LDO負(fù)載瞬變響應(yīng)性能

作者: 時間:2008-10-08 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
低壓差穩(wěn)壓器在便攜電子系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛,比如手機(jī)、筆記本電腦和PDA等。而移動設(shè)備的低功耗和高可靠性要求使得設(shè)計任務(wù)十分艱巨。

  當(dāng)輸出供電的數(shù)字電路從一種運(yùn)行模式切換到另一種運(yùn)行模式時, 需求會快速變化。的這種快速變化將使LDO的輸出電壓產(chǎn)生短暫的尖峰脈沖。大部分的數(shù)字電路都會對很大的電壓變化產(chǎn)生不良反應(yīng)。因此,改善LDO的瞬變性能十分重要。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/233390.htm

  傳統(tǒng)的LDO結(jié)構(gòu)包括一個誤差放大器和一個傳遞器件,如圖1所示。從這種結(jié)構(gòu)可以很容易看出負(fù)載變化對LDO運(yùn)行的影響。

 

如何提高低靜態(tài)電流LDO負(fù)載瞬變響應(yīng)性能
圖1:傳統(tǒng)LDO的結(jié)構(gòu)簡圖。

  LDO的負(fù)載電流變化會改變LDO的輸出電壓電平,直到誤差放大器感知負(fù)載電流的變化而驅(qū)動通路晶體管來補(bǔ)償這種變化。然而,在輸出電流變化與誤差放大器作出反應(yīng)之間往往有一定的延遲,在這個延遲時間內(nèi),LDO輸出會出現(xiàn)電壓尖峰。通過減少延遲時間可將輸出電壓的誤差減至最小。引起延遲的因素有許多,其中一個主要原因是需要對傳遞器件的寄生電容進(jìn)行充電。便攜式設(shè)備中常用LDO的最大輸出電流一般都不會超過幾百毫安。這樣就需要增加傳遞器件的面積,從而導(dǎo)致傳遞器件的寄生電容Cp1和Cp2也增加,甚至超過100pF。

  因此,LDO的微小靜態(tài)電流就成為了關(guān)鍵參數(shù)之一,但它會明顯限制寄生電容的充電時間。

  縮短寄生電容充電時間的最常用辦法是將AB類放大器用作誤差放大器。一般情況下,AB類放大器的電路都設(shè)有比較復(fù)雜的兩個增益級,而LDO穩(wěn)壓器的功率晶體管則成為了第三個增益級。為了提高這個三級放大器的穩(wěn)定性,通??梢圆捎貌煌难a(bǔ)償方法,但這些方法都會減少帶寬,并增加誤差放大器的響應(yīng)時間。

負(fù)載瞬變響應(yīng)性能得到改善的LDO結(jié)構(gòu)

 LDO電路有許多不同的解決方案。本文所描述的電路基本想法是通過誤差放大器來改良負(fù)載瞬變響應(yīng)性能和降低靜態(tài)電流。 

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圖2:帶有AB類誤差放大器的LDO。

  如前文中所述,傳遞器件具有較大的寄生電容,它會使一個具有微小靜態(tài)電流的誤差放大器在輸出級產(chǎn)生一個低頻極點(diǎn)。圖2所示的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行一個非常復(fù)雜的修正,目的是通過減小誤差放大器的帶寬來獲得更高的穩(wěn)定性。為了避免采用過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),應(yīng)采用緩沖器將誤差放大器輸出級的高輸出阻抗與傳遞器件的高負(fù)載電容隔離開來,見圖3。

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圖3:配有射極跟隨器(用作緩沖器)的LDO 結(jié)構(gòu)示意圖。

但圖3所示的這種方法還是不能妥善解決穩(wěn)定性問題。對于具有微小靜態(tài)電流的LDO來說,其偏置電流Ib也很小。而射極跟隨器的極點(diǎn)與誤差放大器A1的極點(diǎn)靠得很近。此外,這種方法將射極跟隨器用作了緩沖器,因此可以快速地關(guān)閉傳遞器件MP,但另一方面,電路的導(dǎo)通時間也由于小電流Ib而受到限制。

  這種結(jié)構(gòu)的另一個缺點(diǎn)是由于主放大器和緩沖器是串聯(lián)的,所以延遲時間將由電路中速度較慢的部件來決定。

  在結(jié)構(gòu)[3]中,LDO采用了兩個放大器,分別是誤差放大器A1和電流反饋放大器A2,如圖4所示。電流反饋放大器具有第二級反饋環(huán)路,可加速LDO的響應(yīng)。但是該放大器的輸入阻抗很小,會降低誤差放大器A1的增益下降,從而對LDO的主要參數(shù)帶來負(fù)面影響。

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圖4:帶復(fù)合反饋回路的LDO。

 

  電流反饋放大器具有AB類輸出級,但此類放大器的負(fù)載能力取決于輸入電流。然而,低靜態(tài)電流的LDO一般要求較大的Rf1、Rf2和RC電阻值,這又限制了放大器A2的輸入電流。這意味著最大輸出電流不會超過幾微安,因此無法實(shí)現(xiàn)對功率晶體管的寄生電容進(jìn)行快速充電。

 

推薦的改進(jìn)方法和電路結(jié)構(gòu)

  前文已經(jīng)對不同的LDO負(fù)載瞬變性能改進(jìn)方案進(jìn)行了分析。盡管采用兩個運(yùn)算放大器驅(qū)動傳遞器件似乎是最好的一個方法,但是通過上述分析仍可以發(fā)現(xiàn)若干缺點(diǎn)。本節(jié)將討論一種可以消除或減弱這些缺點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。

  在改進(jìn)的結(jié)構(gòu)中,具有高增益和低帶寬的運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)被用作主要的誤差放大器。而這個放大器決定了LDO的主要性能參數(shù)。第二個放大器也是基于OTA,但具有相對較小的增益和較大的帶寬,主要用于監(jiān)測LDO的輸出。兩個放大器的輸出并聯(lián)在一起,推薦結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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圖5:兩個誤差放大器并聯(lián)在一起的LDO結(jié)構(gòu)。

  主誤差放大器A1為一款標(biāo)準(zhǔn)的兩級放大器,用于確保LDO的良好性能。由于A1并不是用來快速驅(qū)動功率晶體管MP的,因此可以采用A類輸出級。反饋電阻Rf1和 Rf2決定了LDO輸出電壓的大小。

  第二個放大器具有高帶寬和AB類輸出級,可對功率晶體管的寄生電容快速充電。放大器A2的輸出連接到放大器A1的輸出和功率晶體管MP的柵極。

  LDO輸出連接到A2的同相輸入端和低通濾波器RC,而低通濾波器的輸出則連接到放大器A2的輸入。這種連接方式在穩(wěn)態(tài)情況下將在A2的輸入間產(chǎn)生零電壓,從而使LDO的參數(shù)不受放大器A2的影響。在LDO的輸出負(fù)載快速變化時,如果低通濾波器的時間常數(shù)大于負(fù)載瞬變變化的時間,那么A2的反相輸入端將不會發(fā)生電壓變化。A2的同相輸入跟隨LDO的輸出電壓,并開始對變化作出補(bǔ)償。由于放大器A1的帶寬很窄,因此它會明顯滯后一段時間才作出反應(yīng)。經(jīng)過稍長于低通濾波器時間常數(shù)的一段時間后,A2再次進(jìn)入穩(wěn)態(tài),且不會對LDO的參數(shù)造成影響。圖6所示為運(yùn)算跨導(dǎo)放大器A2的結(jié)構(gòu)。圖中只有一個增益級和AB類輸出級。帶寬由偏置電流Ib確定。

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圖6:具有一個增益級的AB類放大器。

  圖7所示為推薦LDO結(jié)構(gòu)的AC分析。圖7(a)為推薦LDO結(jié)構(gòu)的簡化原理圖,圖7(b)是從圖7(a)轉(zhuǎn)化而來的簡化傳遞函數(shù)的等效框圖。這樣就可以建立推薦LDO運(yùn)行的幅度響應(yīng),如圖7(c)所示。在低頻情況下,LDO的運(yùn)行主要由主放大器A1決定。但在較高的頻率下,由于出現(xiàn)了負(fù)載瞬變,因此LDO的運(yùn)行便改由快速放大器A2來決定。由于RC濾波器能夠隔離并聯(lián)放大器A1和A2的運(yùn)行,因此他們不會在同一時間工作。

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圖7:推薦LDO穩(wěn)壓器的AC分析 (a) 簡化原理圖 (b) 等效框圖 (c) 幅度響應(yīng)。

  圖8所示為推薦LDO結(jié)構(gòu)的負(fù)載瞬變仿真結(jié)果。左圖為放大器并聯(lián)時LDO的輸出電壓,而右圖為單一放大器運(yùn)行時的LDO輸出電壓。從圖中可以看出,放大器并聯(lián)運(yùn)行時的輸出電壓變化幅度比用單一放大器小兩倍。

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圖8:并聯(lián)放大器運(yùn)行(左側(cè))和單放大器運(yùn)行(右側(cè))時的仿真負(fù)載瞬變曲線。

試驗(yàn)結(jié)果

  推薦的LDO穩(wěn)壓器電路采用0.5微米的CMOS工藝制造,占用面積為0.28mm2。

  表1列出了測量結(jié)果,其中最大電流消耗為20μA。經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化能使電流消耗更低,但是芯片的面積會增大,從而對負(fù)載變化的反應(yīng)變慢,并對LDO穩(wěn)壓器的其他主要參數(shù)帶來不利影響。

如何提高低靜態(tài)電流LDO負(fù)載瞬變響應(yīng)性能
表1:推薦LDO穩(wěn)壓器的主要參數(shù)。

  圖9為測量所得的負(fù)載瞬變響應(yīng)曲線。其中負(fù)載在1μs內(nèi)從最大值變化到1mA或從1mA變化到最大值時, LDO穩(wěn)壓器所產(chǎn)生的輸出電壓尖峰等于60mV 。假如負(fù)載變化的速率較慢(10μs),那么LDO穩(wěn)壓器輸出的電壓變化可明顯減少至18mV。

 

如何提高低靜態(tài)電流LDO負(fù)載瞬變響應(yīng)性能
圖9:測得的負(fù)載瞬變響應(yīng)曲線。

  在10kHz頻率和LDO輸出負(fù)載為20mA時測得的電源抑制比(PSRR)為-75dB,而在10Hz到100kHz頻率范圍內(nèi)所測得的等效輸出噪聲等于10μVRMS。

本文小結(jié)

  試驗(yàn)結(jié)果表明,所推薦的LDO穩(wěn)壓器由于具有較優(yōu)的負(fù)載瞬變響應(yīng)性能,因此在低電流消耗的LDO穩(wěn)壓器中具有無可比擬的優(yōu)勢。

  最常見的LDO穩(wěn)定性問題現(xiàn)在可以通過兩個誤差放大器的并行連接得以解決。推薦的LDO結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1.LDO的直流和低頻參數(shù)可以由穩(wěn)定且容易設(shè)計的雙增益級A類放大器決定。

2.極具魯棒性、響應(yīng)快速的單增益級AB類放大器可完全應(yīng)對快速的負(fù)載瞬變,并且不存在任何穩(wěn)定性問題。

3.將兩個放大器并聯(lián)在一起有助于避免穩(wěn)定性問題。

4.對低靜態(tài)電流的LDO穩(wěn)壓器來說,放大器之間的電源電流能以最優(yōu)的比例進(jìn)行分配。



關(guān)鍵詞: LDO 負(fù)載

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