LDO工作原理詳解課件

LDO原理與應(yīng)用1ppt課件.內(nèi)容電壓調(diào)節(jié)器分類(lèi)Chargepump(inductorlessDC-DC)DC-DC(inductor)線(xiàn)性電源LDO原理介紹LDO參數(shù)具體實(shí)例2ppt課件.電壓調(diào)節(jié)器分類(lèi)線(xiàn)性電源傳統(tǒng)線(xiàn)性電源低壓差線(xiàn)性電源（LDO)開(kāi)關(guān)類(lèi)電源

Chargepump(inductorlessDC-DC)DC-DC(inductor)3ppt課件.Chargepump（電荷泵）原理倍壓電荷泵示意圖

(Vout=2xVin)4ppt課件.工作過(guò)程1:對(duì)電容CFLY充電工作過(guò)程2:倍壓輸出倍壓電荷泵過(guò)程1等效電路:過(guò)程2等效電路:5ppt課件.可調(diào)電壓電荷泵工作原理:通過(guò)反饋控制電容Cfly的充放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的6ppt課件.DC-DC(inductor)原理框圖電子開(kāi)關(guān)整流濾波電路比較電路占空比控制電路V’OVOVREFR1R2VIN7ppt課件.StepDown“Buck”ConverterStepUP“Boost”ConverterStepUp/StepDown“Buck-Boost”ConverterDC-DC8ppt課件.線(xiàn)性電源、開(kāi)關(guān)電源優(yōu)點(diǎn)外圍器件少，PCB面積小，花費(fèi)少無(wú)開(kāi)關(guān)噪聲，紋波小缺點(diǎn)降壓輸出效率低，功耗大哪個(gè)更好？？?jī)?yōu)點(diǎn)可升壓、可降壓效率高，功耗小缺點(diǎn)設(shè)計(jì)更復(fù)雜，外圍器件多，花費(fèi)也較高輸出紋波大線(xiàn)性電源開(kāi)關(guān)電源9ppt課件.線(xiàn)性穩(wěn)壓器原理框圖調(diào)整元件基準(zhǔn)電壓源誤差放大器反饋網(wǎng)絡(luò)（取樣電路）調(diào)整元件誤差放大基準(zhǔn)電壓+-Ui取樣負(fù)載UL10ppt課件.用分立元件搭的LDO調(diào)整元件誤差放大基準(zhǔn)電壓取樣電路11ppt課件.工作原理電路開(kāi)始啟動(dòng)，恒流源電路給整個(gè)電路提供偏置，基準(zhǔn)源電壓快速建立輸出隨著輸入不斷上升，輸出達(dá)到規(guī)定值誤差放大器將輸出反饋電壓和基準(zhǔn)電壓之間的誤差小信號(hào)進(jìn)行放大，再經(jīng)調(diào)整管放大到輸出，從而形成負(fù)反饋，保證了輸出電壓穩(wěn)定輸入電壓變化或輸出電流變化，這個(gè)閉環(huán)回路將使輸出電壓保持不變VOUT=（R1+R2）/R2*Vref

12ppt課件.集成LDO結(jié)構(gòu)圖

實(shí)際電路比原理框圖多了啟動(dòng)電路和保護(hù)電路

齊納二極管或帶隙基準(zhǔn)源達(dá)林頓管PNP管PMOSNMOS過(guò)流保護(hù)熱保護(hù)一些復(fù)雜的LDO還會(huì)加過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、反接保護(hù)等

傳統(tǒng)線(xiàn)性穩(wěn)壓器調(diào)整管13ppt課件.基準(zhǔn)電壓源對(duì)輸出電壓影響最大穩(wěn)定性好，低溫漂，高精度，內(nèi)阻小帶隙基準(zhǔn)電壓源

利用硅能帶與價(jià)帶之間的禁帶帶隙能量作為基準(zhǔn)，因?yàn)檫@個(gè)能量幾乎是不變的，即通常所說(shuō)的帶隙基準(zhǔn)電壓源。穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源要求要有不隨電壓源電壓變化的電流偏置電路。一般的偏置電路需要一個(gè)啟動(dòng)電路14ppt課件.帶隙基準(zhǔn)電壓源pn結(jié)二極管產(chǎn)生電壓VBE，溫度系數(shù)為-2.0mV/℃；熱電壓VT=KT/q，溫度系數(shù)為+0.085mV/℃。K=2.2/0.085=23.5，在理論實(shí)現(xiàn)零溫度系數(shù)由于該電壓等于硅的帶隙電壓（外推到絕對(duì)溫度），所以這類(lèi)基準(zhǔn)電路也叫“帶隙”基準(zhǔn)電路。

注：實(shí)際上利用的不是帶隙電壓，有些Bandgap結(jié)構(gòu)輸出電壓與帶隙電壓也不一致

15ppt課件.帶啟動(dòng)電路的自偏置

電路開(kāi)始上電，由于上半部分鏡像電流源處于零電流狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)1處于高電位，同樣下半部分也處于零電流狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)3處于低電位，MP1導(dǎo)通，2節(jié)點(diǎn)電位被拉高，MN1導(dǎo)通，這樣節(jié)點(diǎn)1被拉低，說(shuō)明鏡像電流源中的管子導(dǎo)通，有電流流過(guò)偏置電路，電流持續(xù)上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)工作點(diǎn)B時(shí)，節(jié)點(diǎn)3被拉高，將MP1關(guān)斷，節(jié)點(diǎn)2電位下降，直到MN1關(guān)斷，這樣啟動(dòng)電路完全脫離偏置電路，偏置電路穩(wěn)定的工作在工作點(diǎn)B處。16ppt課件.帶隙基準(zhǔn)原理圖17ppt課件.誤差放大器誤差放大一般采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，與集成運(yùn)放相似差分輸入級(jí)提電路共模抑制比，并且輸入電阻很大電壓放大級(jí)進(jìn)一步提高電路增益輸出級(jí)一般除了提高電路增益外，最主要的作用是提高輸出擺幅，最大可能的減小輸出電阻偏置電路為電路的三部分提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)偏置。18ppt課件.調(diào)整管NPN穩(wěn)壓器（NPNregulators）在NPN穩(wěn)壓器的內(nèi)部使用一個(gè)PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)NPN達(dá)林頓管（NPNDarlingtonpasstransistor），輸入輸出之間存在至少1.5V～

2.5V的壓差（dropoutvoltage）。這個(gè)壓差為：

Vdrop

＝2Vbe

＋Vsat（NPN穩(wěn)壓器）19ppt課件.調(diào)整管準(zhǔn)LDO穩(wěn)壓器（Quasi-LDOregulators）另一種廣泛應(yīng)用于某些場(chǎng)合是準(zhǔn)LDO（例如：5V到3.3V轉(zhuǎn)換器）。準(zhǔn)LDO介于NPN穩(wěn)壓器和LDO穩(wěn)壓器之間而得名，導(dǎo)通管是由單個(gè)PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)NPN管。因此，它的跌落壓降介于NPN穩(wěn)壓器和LDO之間：Vdrop＝Vbe

＋Vsat

20ppt課件.調(diào)整管LDO穩(wěn)壓器（LDOregulators）在LDO(LowDropout)穩(wěn)壓器中，導(dǎo)通管是一個(gè)PNP管。LDO的最大優(yōu)勢(shì)就是PNP管只會(huì)帶來(lái)很小的導(dǎo)通壓降，滿(mǎn)載的跌落電壓的典型值小于500mV，輕載時(shí)的壓降僅有10～20mV。LDO的壓差為：

Vdrop

＝Vsat21ppt課件.調(diào)整管LDO穩(wěn)壓器（LDOregulators）由P溝道MOS管構(gòu)成的PMOS超低壓差線(xiàn)性穩(wěn)壓器(VLDO)，其壓差可降至100mV左右。由N溝道MOS管構(gòu)成的NMOSVLDO，其壓差壓差可低至幾十毫伏。

Vdrop

＝RDS(ON)IO22ppt課件.VREFVOUTVINQ1Q2Q30.7V0.7V0.3V~2VNPNLinearRegulator200mVVINVREFVOUTQ1Q2PNP-LDO50mVVREFVOUTVINQ1CMOS-LDO壓降電壓...VREFVOUTVINQ1Q30.7V0.3V“Quasi-LDO”Regulator~1V23ppt課件.5種結(jié)構(gòu)比較三極管電流驅(qū)動(dòng)、MOS管電壓驅(qū)動(dòng)三極管靜態(tài)損耗大，MOS管靜態(tài)損耗很小雙極性管子由于其電流增益比較大，可以為負(fù)載提供相當(dāng)大的電流，MOS管提供的電流相對(duì)較小24ppt課件.NMOS的源端與負(fù)載并聯(lián)使得輸出端是一個(gè)低阻抗節(jié)點(diǎn)，LDO的輸出阻抗比較小且受負(fù)載波動(dòng)的影響弱，輸出端上的極點(diǎn)處在高頻區(qū)域。但為了導(dǎo)通NMOS管，G端至少比S端高一個(gè)閾值電壓，一般情況0．7V。如果所要求的壓降幅度比較小，那么不得不考慮另外設(shè)計(jì)升壓電路電荷泵來(lái)提高NMOS的G端電位，電路因此會(huì)變復(fù)雜。PMOS的漏端與負(fù)載并聯(lián)使得輸出端是一個(gè)高阻抗節(jié)點(diǎn)，LDO的輸出阻抗大且受負(fù)載電阻影響。輸出端會(huì)給系統(tǒng)引入一個(gè)位于低頻段的極點(diǎn)，為系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來(lái)影響。25ppt課件.分立元件搭的LDO26ppt課件.LDO工作原理調(diào)整元件誤差放大基準(zhǔn)電壓取樣電路4.24V+1.8V_LDOVGS=2.46V1.78VVDS=1.52V+1.8V_LDO為什么不直接使用運(yùn)放？1.一般的運(yùn)放輸出電壓比電源電源小2——3V(軌到軌運(yùn)放輸出電壓可接近電源電壓）2.運(yùn)放帶負(fù)載能力很弱，一般輸出電流10幾毫安，大的也就100mA左右，而且貴加三極管或MOS起擴(kuò)流作用27ppt課件.共漏放大可以看成一個(gè)帶負(fù)載能力很強(qiáng)（輸出大電流）的運(yùn)放取樣后接入負(fù)端形成負(fù)反饋Vi

Vo

Vg

Vs

Vg

Vo

↓取樣后接入正端形成負(fù)反饋28ppt課件.調(diào)整管工作原理100200300400VDS/VID/mA0.40.81.21.62.000VGS=2.3V2.4V2.5V2.6V2.7V2.8V2.9V3.0VP1P2P3P4P51.LDO正常工作在點(diǎn)P12.負(fù)載電阻降低，輸出電流增大，輸出電壓Vo降低，VGS增大，VDS增大，工作點(diǎn)移動(dòng)到P23.反饋電壓降低，放大器輸出(VG)增大4.共源放大，0<AV<1。VS(VO)增大，VGS增大，VDS減小，ID增大。工作點(diǎn)移到P35.VF與VREF之差趨于0，個(gè)系統(tǒng)恢復(fù)了平衡。29ppt課件.30ppt課件.LDO頻率補(bǔ)償

所有穩(wěn)壓器都使用反饋回路（FeedbackLoop）以保持輸出電壓的穩(wěn)定。反饋信號(hào)在通過(guò)回路后都會(huì)在增益和相位上有所改變，通過(guò)在單位增益（UnityGain，0dB）頻率下的相位偏移總量來(lái)確定回路的穩(wěn)定性。引入反饋的電路必須考慮回路穩(wěn)定性問(wèn)題。負(fù)反饋越深，也容易自激振蕩。為了提高放大器在深度負(fù)反饋條件下的工作穩(wěn)定性，一般采用的消振方法為頻率補(bǔ)償（相位補(bǔ)償）31ppt課件.極點(diǎn)（POLES）極點(diǎn)（Pole）定義為增益曲線(xiàn)(Gaincurve)中斜度（Slope）為－20dB/十倍頻程的點(diǎn)（圖9：波特圖中的極點(diǎn)）。每添加一個(gè)極點(diǎn)，斜度增加20dB/十倍頻程。增加n個(gè)極點(diǎn)，n×（－20dB/十倍頻程）。每個(gè)極點(diǎn)表示的相位偏移都與頻率相關(guān)，相移從0到－90°（增加極點(diǎn)就增加相移）。最重要的一點(diǎn)是幾乎所有由極點(diǎn)（或零點(diǎn)）引起的相移都是在十倍頻程范圍內(nèi)。注意：一個(gè)極點(diǎn)只能增加－90°的相移，所以最少需要兩個(gè)極點(diǎn)來(lái)到達(dá)－180°（不穩(wěn)定點(diǎn)）。32ppt課件.零點(diǎn)（ZEROS）零點(diǎn)（Zero）定義為在增益曲線(xiàn)中斜度為＋20dB/十倍頻程的點(diǎn)。零點(diǎn)產(chǎn)生的相移為0到＋90°，在曲線(xiàn)上有＋45°角的轉(zhuǎn)變。必須清楚零點(diǎn)就是“反極點(diǎn)”（Anti-pole）,它在增益和相位上的效果與極點(diǎn)恰恰相反。在LDO穩(wěn)壓器的回路中添加零點(diǎn)可以抵消極點(diǎn)。33ppt課件.LDO頻率響應(yīng)34ppt課件.LDO主要參數(shù)壓差靜態(tài)電流待機(jī)電流瞬態(tài)響應(yīng)線(xiàn)性調(diào)整率負(fù)載調(diào)整率電源抑制比精度功耗35ppt課件.壓差壓差是LDO線(xiàn)性穩(wěn)壓器最重要的參數(shù)，它是指系統(tǒng)能夠調(diào)節(jié)地，使輸出穩(wěn)定在期望輸出的最小輸入電壓和輸出電壓值差，也就是說(shuō)這個(gè)輸入電壓將是系統(tǒng)能夠調(diào)整地最小輸入電壓，比這更小的電壓，輸入與輸出將成線(xiàn)性關(guān)系下降，這一臨界輸入電壓值去期望輸出值所得的結(jié)果，就是ＬＤＯ線(xiàn)性穩(wěn)壓器的壓差電壓。德州儀器（TI）電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值跌落2％的輸入、輸出電壓的差值.其它的如，美信（Maxim），圣邦微電子(SGMC)電壓差定義為輸出電壓較其標(biāo)稱(chēng)值小于100mV時(shí)的輸入、輸出電壓的差值36ppt課件.靜態(tài)電流靜態(tài)電流定義為輸入輸出電流之差，它反映了LDO內(nèi)部電路的功率消耗，靜態(tài)電流主要由偏置電流（提供給誤差放大器、基準(zhǔn)電壓源和采樣電阻）與調(diào)整管的驅(qū)動(dòng)電流組成，可以表示為IQ=Iin-Io對(duì)于雙級(jí)型晶體管，靜態(tài)電流隨著負(fù)載電流成比例的增加，因?yàn)殡p級(jí)型晶體管是電流驅(qū)動(dòng)器件對(duì)于MOS管，靜態(tài)電流很小，幾乎不隨負(fù)載的變化而變化，幾乎是一個(gè)恒定值，因?yàn)镸OS管是電壓驅(qū)動(dòng)器件PNPLDO的地腳電流會(huì)比較高。在滿(mǎn)載時(shí)，PNP管的β值一般是15～20。也就是說(shuō)LDO的地腳電流一般達(dá)到負(fù)載電流的7%。達(dá)林管和準(zhǔn)LDO的靜態(tài)電流較小。在應(yīng)用中如果對(duì)靜態(tài)電流的消耗比較苛刻的話(huà)，最好是采用MOS管作為調(diào)整管的LDO37ppt課件.待機(jī)電流待機(jī)電流是指帶有使能信號(hào)的LDO，當(dāng)該信號(hào)關(guān)閉的時(shí)候LDO消耗的電流。參考電壓和誤差放大器同樣也處于不供電的狀態(tài)。可以進(jìn)一步減小功耗。38ppt課件.瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)為負(fù)載電流突變時(shí)引起輸出電壓的最大變化，它是輸出電容Co及其等效串聯(lián)電阻ESR和旁路電容Cb的函數(shù)，其中Cb的作用是提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，也起到了為電路高頻旁路的作用。為了獲得更好的瞬態(tài)響應(yīng)，LDO需要更寬的帶寬，更大的輸出容量，低ESR電容（當(dāng)然要滿(mǎn)足CSR要求）39ppt課件.線(xiàn)性調(diào)整率線(xiàn)性調(diào)整率定義了輸入變化對(duì)輸出的影響，即在負(fù)載一定的情況下，輸出電壓變化量和輸入電壓變化量之比要減小線(xiàn)性調(diào)整率SL，可以提高誤差運(yùn)放的放大倍數(shù)和增大調(diào)整管的跨導(dǎo)。40ppt課件.負(fù)載調(diào)整率負(fù)載調(diào)整率SZ是指在輸入電壓不變的條件下，負(fù)載發(fā)生變化時(shí)對(duì)輸出電壓的影響，即輸出變化量與負(fù)載電流變化量的比值，即有和線(xiàn)性調(diào)整率一樣，負(fù)載調(diào)整率SZ和誤差放大器的放大倍數(shù)A及調(diào)整管的跨導(dǎo)有關(guān)，為了減小負(fù)載調(diào)整率可以提高這兩個(gè)量的值。41ppt課件.紋波抑制比電源噪聲抑制比也被叫做紋波抑制比。是衡量LDO對(duì)輸入電壓電源變動(dòng)抑制的一種能力，與線(xiàn)性調(diào)整率不同的一點(diǎn)是，紋波抑制比需要