线性稳压器的工作原理及比较.doc

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1、线性稳压器的工作原理及比较摘要    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(NPNregulators)。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。关键词NPN 稳压器LDO稳压器准LDO稳压器波特图零点极点NPN 稳压器(NPNregulators)    在NPN稳压器(图1:NPN稳压器内部结构框图)的内部使用一个

2、PNP管来驱动NPN达林顿管(NPNDarlingtonpasstransistor),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(LDOregulators)    在LDO(LowDropout)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(Lightloads)时的压降仅有10~20mV

3、。LDO的压差为:Vdrop = Vsat (LDO 稳压器)(2)准LDO 稳压器(Quasi-LDOregulators)    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(RegulatorOperation)    所有的稳压器,都利用了相同的技术实现输出电压的稳定(

4、图4:稳压器工作原理图)。输出电压通过连接到误差放大器(ErrorAmplifier)反相输入端(InvertingInput)的分压电阻(ResistiveDivider)采样(Sampled),误差放大器的同相输入端(Non-invertingInput)连接到一个参考电压Vref。参考电压由IC内部的带隙参考源(BandgapReference)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(PerformanceComparison)   NPN,LD

5、O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(HighGain),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

6、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。反馈及回路稳定性(FeedbackandLoopStability)     所有稳压器都使用反馈回路(FeedbackLoop)以保持输出

7、电压的稳定。反馈信号在通过回路后都会在增益和相位上有所改变,通过在单位增益(UnityGain,0dB)频率下的相位偏移总量来确定回路的稳定性。波特图(Bode Plots)波特图(BodePlots)可用来确认回路的稳定性,回路的增益(LoopGain,单位:dB)是频率(Frequency)的函数(图5:典型的波特图)。回路增益及其相关内容在下节介绍。 回路增益可以用网络分析仪(Network Analyzer)测量。网络分析仪向反馈回路(FeedbackPath)注入低电平的正弦波(SineWave),随着直流电压(DC)的不断升高,这些正弦波

8、信号完成扫频,直到增益下降到0dB。然后测量增益的响应(GainResponse)。    波特图是很方便的

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