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線性穩壓器件補償和波特圖解析
摘要: 一個包含三個極點和一個零點的波特圖將用來分析增益和相位裕度。假設直流增益為80dB,第一個極點發生在100Hz處。在此頻率時,增益曲線的斜度變為-20dB/十倍頻程。1kHz處的零點使斜度變為0dB/十倍頻程,到10kHz處增益曲線又變成-20dB/十倍頻程。在100kHz處的第三個也是最后一個極點將增益斜度最終變為-40dB/十倍頻程。
Abstract:
Key words :

       一個包含三個極點和一個零點的波特圖" title="波特圖">波特圖將用來分析增益和相位裕度。假設直流增益為80dB,第一個極點發生在100Hz處。在此頻率時,增益曲線的斜度變為-20dB/十倍頻程。1kHz處的零點使斜度變為0dB/十倍頻程,到10kHz處增益曲線又變成-20dB/十倍頻程。在100kHz處的第三個也是最后一個極點將增益斜度最終變為-40dB/十倍頻程。

  也可以看到單位增益點(0dB)交點頻率是1MHZ。0dB頻率通常稱為回路帶寬(loop bandwidth)。相位偏移圖表示了零、極點的不同分布對反饋信號的影響。根據分布的零極點計算相移的總和。在任意頻率(f)上的極點相移,可以通過下式計算獲得:

  極點相移= -arctan(f/fp)

  在任意頻率(f)上的零點相移,可以通過下式計算獲得:

  零點相移= -arctan(f/fz)

  此回路穩定么?為了回答這個問題,我們只需要知道0dB時的相移(是1MHZ)。根本無需復雜的計算。

  前兩個極點和第一個零點分布使相位從-180°變到+90°,最終導致網絡相位轉變到-90°。最后一個極點在十倍頻程中出現了0dB點。使用零點相移公式,該極點產生了-84°的相移(在1MHZ時)。加上原來的-90°相移,全部的相移是-174°(也就是說相位裕度是6°)。該回路可能引起振蕩。

  NPN 穩壓器補償

  NPN 穩壓器的導通管的連接方式是共集電極的方式。所有共集電極電路的一個重要特性就是低輸出阻抗。也就意味著電源范圍內的極點出現在回路增益曲線的高頻部分。由于NPN穩壓器沒有固有的低頻極點,所以它使用了一種稱為主極點補償(dominant pole compensation)的技術。此時,在IC的內部集成了一個電容,該電容在環路增益的低頻端添加了一個極點。

  NPN穩壓器的主極點(P1)一般設置在100Hz處。100Hz處的極點將增益減小為-20dB/十倍頻程直到3MHz處的第二個極點(P2)。在P2處,增益曲線的斜率又增加了-20dB/十倍頻程。P2點的頻率主要取決于NPN功率管及相關驅動電路,因此有時稱此點為功率極點(power pole)。因為P2點在回路增益為-10dB處出現,也就表示了0dB頻率處(1MHZ)的相位偏移會很小。

  為了確定穩定性,只需要計算0dB頻率處的相位裕度:

  第一個極點(P1)會產生-90°的相位偏移,但是第二個極點(P2)只增加了-18°的相位偏移(1MHZ處)。也就是說0dB點處的相位偏移為-108°,相位裕度為72°(非常穩定)。應該提起注意的是,回路很顯然是穩定的。因為需要兩個極點才有可能使回路要達到-180°的相位偏移(不穩定點),而P2又分布在高頻位置,它在0dB處的相位偏移就很小了。

  LDO" title="LDO">LDO穩壓器的補償

  LDO穩壓器中的PNP導通管的接法為共射方式(common emitter)。它相對共集電極方式有更高的輸出阻抗。由于負載阻抗和輸出容抗的影響在低頻程處會出現低頻極點(low-frequency pole)。此極點(稱為負載極點(load pole)用Pl表示)的頻率由下式獲得:

  F(Pl) =1/(2π×Rload×Cout)。從此式可知,不能通過簡單的添加主極點的方式實現補償。

  為了解釋為什么會這樣,先假設一個5V/50mA的LDO穩壓器有下面的條件:

  在最大負載電流時,負載極點(Pl)出現的頻率為:

  Pl=1/(2π×Rload×Cout)=1/(2π×100×10-5)=160Hz

  假設內部的補償在1kHz處添加了一個極點。由于PNP功率管和驅動電路的存在,在500kHz處會出現一個功率極點(Ppwr)。

  假設直流增益為80dB。Rl =100Ω(在最大負載電流時的值),Cout=10uF。

  可以看出回路是不穩定的:極點PL和P1每個都會產生-90°的相移。在0dB處(此例為40kHz),相移達到了-180°為了減少負相移(阻止振蕩),在回路中必須要添加一個零點。一個零點可以產生+90°的相移,它會抵消兩個低頻極點的部分影響。基本上所有的LDO穩壓器都需要在回路中添加這個零點。該零點一般是通過輸出電容的一個特性:等效串聯電阻(ESR)獲得的。

  使用ESR補償LDO

  等效串聯電阻(ESR)是每個電容共有的特性。可以將電容表示為電阻與電容的串聯。輸出電容的ESR在回路增益中產生一個零點,可以用來減少負相移。零點出現的頻率值與ESR和輸出電容值直接相關:Fzero= 1/(2π×Cout×ESR)。使用上一節的例子,我們假設輸出電容值Cout=10uF而且輸出電容的ESR=1Ω。則零點發生在16kHz。

  添加此零點如何使不穩定系統變為穩定系統:

  回路的帶寬增加了所以0dB的交點頻率從30kHz移到了100kHz。到100kHz處該零點總共增加了+81°相移。也就是減少了PL和P1造成的負相移。因為極點Ppwr處在500kHz,在100kHz處它僅增加了-11°的相移。累積所有的零、極點,0dB處的總相移現在為-110°。也就是有+70°的相位裕度,系統非常穩定。這也就解釋了具有正確ESR值的輸出電容是可以產生零點來穩定LDO系統的。

 

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