杂讯低、稳定的电源已俨然成为一种趋势,相对的如何避免电源震荡便日趋重要,即便架构较为简单之线性稳压器LDO也会发生;在电子产品小型化的今日,能提供稳定的输出电压及拥有低电压差(Dropout)电压特性之LDO,更显重要。
(图一)(a)所示为线性稳压器之基本架构,其中包含了输出元件、误差放大器、参考电压源及分压回授电阻;而(图一)(b)所示为线性稳压器之小讯号等效电路,输出元件PMOS等效成小讯号模式,和误差放大器所产生的寄生电阻Rpar、电容Cpar,加上输出电容本身之等效电阻RESR及旁路电容Cb。
《图一 (a) LDO基本架构;(b)LDO小讯号等效电路 》 |
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然而线性稳压器LDO如何发生震荡?
LDO的输出电压不只会随所加负载的电流改变,外加的输出稳压电容及其等效串联电阻值(Equivalent Series Resistance,ESR)亦会有所影响,输出电压的变化量可由下列关系式
:输出电压变化量
:ESR值所产生的电压变化量,其值正比于ESR值
:负载瞬间变化稳压器所需之反应时间
由上式可知,及正比于,当瞬间电流越大,或稳压器的反应时间越长,输出电压的变化量就将越大,而增加输出电容值可有效的降低输出电压的震荡幅度。在本文中,将探讨ESR值对LDO的影响及其适当之范围。
频率响应分析
由(图一)(a)之小讯号等效电路,其输出阻抗Zo可表示成
由上式可知,出现一零点及两极点,分别为
而另一极点则取决于Rpar和Cpar
(图二)所示为LDO之频率响应图,实线部分为典型有外加补偿的频率响应图,而虚线则无补偿;负载的电流量将决定极点Po的位置,当电流量越大,Po相对产生在较高频的位置。无任何补偿(只有两个极点)的线性稳压器其输出极易震荡而使回路无法稳定,因其单位增益频率(Unit Gain Frequency,UGF)落在相位-180度,也就是相位边界(Phase Margin)为0度,而无足够的相位边界,如(图二)之虚线所示;为使LDO输出跳动幅度减小,增加零点ZESR可提高相位边界使其大于0度,如(图二)之实线所示。
ESR对LDO之影响
足够的Phase Margin是LDO稳定的必要条件,所以其输出稳压电容是必须的,以产生零点ZESR;输出电容之等效电阻ESR须设置在UGF点之前,使其UGF点之Phase Margin可大于0度。然而,电容之ESR值须在适当的范围内以决定系统的稳定性,否则即使增加零点,亦无法有效的减少相位偏移(增加相位边界);ESR值影响了零点ZESR及极点Pb的位置,当ESR值改变,ZESR、Pb的变化直接影响系统是否稳定。当ESR值过大/过小,UGF点的Phase Margin将小于/等于0度,系统也随之不稳定;若ESR值过大(ZESR过小),UGF将增加到大于极点Pb,而使Phase Margin不足;若ESR值过小(ZESR过大),在尚未到达零点ZESR前其增益已降至0dB,其相位边界为0度,亦使LDO无法稳定。
应用实例
针对LDO之震荡首要考虑为其输出电容之ESR值,小ESR值的电容或许有较好的动态响应,但在补偿方面其效果便似乎不足;所以在选择电容时应以ESR值作为考量以避免LDO输出产生震荡。
以下将以AIC1117做范例,以AIC1117-33加载200mA,并使用不同之电容,量测其输出电压波形,(图三)为使用10μF之陶瓷电容于输入输出端,(图五)显示输出电压产生不正常的涟波;而(图四)使用10μF之电解电容,(图六)则显示输出电压非常稳定。此显示电容的ESR值确实影响输出结果。
《图三 使用10μF陶瓷电容之AIC1117应用电路》 |
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《图四 使用10μF电解电容之AIC1117应用电路》 |
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《图五 AIC1117 abnormal oscillation》 |
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《图六 AIC1117 normal output voltage》 |
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结论
LDO本身并不会产生杂讯,除非其输入端或输出端受到外部涟波杂讯干扰,所以LDO的输入输出电容是绝对必要的,而输出电容必须选择在安全的ESR范围里,如(图七)、(图八)所示;若无足够大电容的ESR,LDO将随温度上升而产生震荡;只要能符合ESR的需求,无论是陶瓷电容、铝电解电容或钽质电容均可适用,但在应用上较建议使用电解电容或钽质电容,因为陶瓷电容的ESR值较小,且在温度变化时其特性的变化量也相对提高。
〈参考资料
[1] Y.S. Hsu and G.C. Wu, "Linear regulator design", July 2001
[2] B.S. Lee, "Understanding the stable range of equivalent series resistor of an LDO regulator", Application Note, Texas Instruments, November 1999
[3] Hawk Chen, "A better approach of dealing with ripple noise of LDO", Application Note, Analog Integrations Corporation〉
(作者任职于沛亨半导体产品应用部)