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LDO稳压器工作原理

时间:2008-09-11   来源:   作者:frm   点击:……  字体大小:【

      随着便携式设备(电池供电)在过去十年间的快速增长,象原来的业界标准 LM340 和 LM317 这样的稳压器件已经无法满足新的需要。这些稳压器使用NPN 达林顿管,在本文中称其为NPN 稳压器(NPN regulators)。预期更高性能的稳压器件已经由新型的低压差(Low-dropout)稳压器(LDO)和准LDO稳压器(quasi-LDO)实现了。
(原文:Linear Regulators: Theory of Operation and Compensation )

NPN 稳压器(NPN regulators)
      在NPN稳压器(图1:NPN稳压器内部结构框图)的内部使用一个 PNP管来驱动 NPN 达林顿管(NPN Darlington pass transistor),输入输出之间存在至少1.5V~2.5V的压差(dropout voltage)。这个压差为:
           Vdrop = 2Vbe +Vsat(NPN 稳压器)                                    (1)
 
       
LDO 稳压器(LDO regulators)
      在LDO(Low Dropout)稳压器(图2:LDO稳压器内部结构框图)中,导通管是一个PNP管。LDO的最大优势就是PNP管只会带来很小的导通压降,满载(Full-load)的跌落电压的典型值小于500mV,轻载(Light loads)时的压降仅有10~20mV。LDO的压差为:
            Vdrop = Vsat (LDO 稳压器)                                            (2)
 
          
准LDO 稳压器(Quasi-LDO regulators)
      准LDO(Quasi-LDO)稳压器(图3: 准 LDO 稳压器内部结构框图)已经广泛应用于某些场合,例如:5V到3.3V 转换器。 准LDO介于 NPN 稳压器和 LDO 稳压器之间而得名, 导通管是由单个PNP 管来驱动单个NPN 管。 因此,它的跌落压降介于NPN稳压器和LDO之间:
            Vdrop = Vbe +Vsat                                                                  (3)
 
        
稳压器的工作原理(Regulator Operation)
      所有的稳压器,都利用了相同的技术实现输出电压的稳定(图4:稳压器工作原理图)。输出电压通过连接到误差放大器(Error Amplifier)反相输入端(Inverting Input)的分压电阻(Resistive Divider)采样(Sampled),误差放大器的同相输入端(Non-inverting Input)连接到一个参考电压Vref。 参考电压由IC内部的带隙参考源(Bandgap Reference)产生。 误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。为此,它提供负载电流以保证输出电压稳定:
           Vout = Vref(1 + R1 / R2)                                                     (4)
 
       
性能比较(Performance Comparison)
      NPN,LDO和准LDO在电性能参数上的最大区别是:跌落电压(Dropout  Voltage)和地脚电流(Ground Pin Current)。跌落电压前文已经论述。为了便于分析,我们定义地脚电流为Ignd (参见图4),并忽略了IC到地的小偏置电流。那么,Ignd等于负载电流IL除以导通管的增益。
      NPN 稳压器中,达林顿管的增益很高(High Gain), 所以它只需很小的电流来驱动负载电流IL。这样它的地脚电流Ignd也会很低,一般只有几个mA。 准LDO也有较好的性能,如国半(NS)的LM1085能够输出3A的电流却只有10mA的地脚电流。
      然而,LDO的地脚电流会比较高。在满载时,PNP管的β值一般是15~20。也就是说LDO的地脚电流一般达到负载电流的7%。
      NPN稳压器的最大好处就是无条件的稳定,大多数器件不需额外的外部电容。 LDO在输出端最少需要一个外部电容以减少回路带宽(Loop Bandwidth)及提供一些正相位转移(Positive Phase Shift)补偿。 准LDO一般也需要有输出电容,但容值要小于LDO的并且电容的ESR局限也要少些。 

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