ldo线性稳压器设计毕业论文(编辑修改稿)

ldo线性稳压器设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

路正常工作时内部消耗的电流，它等于输入 电流与输出电流之差 [11]， 即 : q in outI I I (27) outIin outVOUTING NDL D OoutC esrRqIinI dif  图 22 漏失电压与静态电流示意图 9 功耗与效率 LDO线性稳压器的功耗 PW为： ()W in in o u t o u t in o u t o u t in qP V I V I V V I V I         (28) (28)式中，第一项是调整管上产生的功耗，第二项则是芯片静态电流功耗 ，因而LDO的 工 作效率为 [12]： 100%()out outout q inVII I V  (29) 式 (29)说明了 LDO线性稳压器的效率与漏失电压和静态电流有关，低漏失电压、小静态电流则意味着 LDO电路具有低功耗、高效率的特点。 051 01 5 2 02 52 . 53 . 03 . 54 . 04 . 56 07 08 09 01 0 0时 间 （ 小 时 ）电池电压（V，三节碱性电池）效率 （%）电 池 电 压效 率 曲 线 图 23 LDO效率与电池输出电压的时间关系 在实际应用中，分析效率时还必须清楚：由于电池不是理想电源，它具有输出电阻，因此供电时它的输出电压是逐渐下降的，电池的这种特性是非常有利于LDO线性稳压器工作效率的提高。 LDO线性稳压器工作效率是随着电池电压的下降而逐渐升高的，实际电池的电压、 LDO线性稳压器工作效率与电池工 作时间的关系如图 23所示。 另外，在小负载电流时，稳压器的效率将受静态电流的限制，比如输出电流等于输入电 流的一半 时 ，稳压器的效率将减 小 一半，因此当设备处 10 于“待机”时静态电流将决定 电池的使用寿命。 负载调整率与 线性调整率 负载调整率表征了稳压器输出负载大小变化对输出电压的影响程度，表征了负载变化而稳压器维持输出在标称值上的能力 ，它 定义为 ： ()outIout NO M outVS VI  (210) 其中， )(NOMoutV 是标定的输出电压值 ， outI 为负载电流的变化量， outV 为负载电流变化引起的输出电压的变化量。 显然， 负载调整率 越小越好。 线性调整率表征了稳压器输入电压大小变化对输出电压的影响程度，定义为负载一定时稳压电路输出电压相对变化量与其输入电压相对变化量之比，即： () 100outVIN o u t N O MVS VV ％ (211) 其中， )(NOMoutV 是标定的输出电压值 ， INV 为输入电压的变化量， outV 为 输入电压变化引起的输出电压的变化量。 与负载调整率一样，该指标也是越小越好。 LDO 的 基本应用 LDO线性 稳压 器 作为直流电压转换器，适用于多种场合的应用。 图 24所示为LDO的四种 典型应用。 图 24(a)所示电路是一种最常见的 AC/DC交流电源电压经变压器变 为直流 电压， 再经过 LDO得到所需的输出直流电压。 在该电路中， LDO线性稳压器的作用是在 交流电源电压或负载变化时稳定输出 直流 电压， 减小交流噪声对输出电压的影响。 由于 各种电池的 输出 电压 在工作一段时间后 都 会下降， 为了保证电池输出电压 的 恒定，通常都 会 在电池输出端接入 LDO线性稳压器，如图 24(b)所 示。 这样不仅给后续电路提供稳定的电压，而且随着电池工作时间的推移，也提高了 LDO的工作效率。 11 L D OD CD C D CL D OD CA CD C O u t p u tL D OL D OL D OL D OL D OD CE N 1E N 2E N 3E N 4O u t p u t 1O u t p u t 2O u t p u t 3O u t p u t 4( a )( b )( c )( d ) 图 24 LDO的典型应用示意图 众所周知，开关性稳压电源的效率很高，但输出纹波电压较高，噪声较大，电压调整率等性能也较差，特别是 对模拟电路供电时，将产生较大的影响。 在开关性稳压器输出端接入 LDO线性稳压器，如图 24(c)所示，就可以实现有源滤波，而且也可大大提高输出电压的稳压精度，同时电源系统的效率也不会明显下降。 在某些应用中，比如无线电通信设备 中 通常只有一 组 电池供电，但 设备中的各部分电路常常采用互相隔离的不同电压，因此必须由多只 LDO稳压器供电 ，如图 24(d)所示。 为了节省共 用 电池的电量， 在 设备不工作时， LDO稳压器上的使能端可以使 LDO进入休眠模式，从而达到省电目的 [13]。 12 本章小结 本章首先简要介绍了 LDO线 性稳压器的基本结构与工作原理。 然后，重点说明了 LDO的几组关键性能指标， 为 后续章节 对 LDO进行瞬态、直流、交流 三方面的 研究 作好 铺垫， 最后介绍了 LDO稳压器 在 几种典型 场合下的 应用。 13 3 LDO 系统架构的设计考虑 本论文着眼于设计一款低功耗高稳定性的 LDO线性稳压器，因而必须围绕低功耗和高稳定性两方面对 LDO的各子模块进行构思设计。 本章首先对系统电路进行瞬态、直流、交流分析，然后根据低功耗的设计需要确定各子模块的基本结构，进而确定 LDO的系统结构。 LDO 系统电路的瞬态研究 LDO线性稳压器的瞬 态研究主要关注其瞬态响应，是指输入电压、输出负载阶跃变化时引起的输出电压的瞬态脉冲现象和输出电压恢复稳定的时间。 LDO线性稳压器通常会给低压数字电路供电，数字电路经常存在各种工作模式之间的开关转换， 这样当其发生阶跃变化时， LDO的输出电压变化范围一定要在 标称 范围内，才能保证电路 的 正常工作。 同时 由于 LDO的响应速度决定了负载电路恢复正常工作的能力 ，因此设计出的 LDO线性稳压器应该具有较好的瞬态特性。 输出电压（V）时 间 （ s ）1t2t 4t2V outVloadI3V 4trmaxV 3t 图 31 LDO 线性稳压器的负载瞬态响应图 图 31为典型的 LDO线性稳压器负载瞬态响应曲线 [14]。 当输出动态负载阶跃变化时稳压器输出脉冲值应该是在稳压器闭合环路响应之前输出电流对电容的充电电压值。 比如输出电流 Iout从 0跳变到最大输出电流 Io(max)，那么输出最大下降脉冲 14 trmaxV 为： ( ) ( )1 1 ( )O M A X O M A Xtr m a x e s r O M A X E S Ro u t o u tIIV t V t I RCC        (31) 从 (31)式可以看到 trmaxV 是响应时间 1t 、输出电容 outC 等的 函数。 这里 esrV是输出电压 的 变化在输出电容的 ESR电阻上产生的压降 并 正比于 esrR。 闭环 响应时间 1t 在 典型情况下 是 由输出电容 Cout、最大负载电流 Io(max)和 可允许的最大输出变化量 GV 确定 的 [15~16]。 但是实际应用中，由于调整管产生的栅极电容影响了误差放大器的摆率 ，从而增大了闭环响应的时间，其近似表达式为 [17]： 1 11 GS R p a rc l c l srVt t CB W B W I     (32) 这里 GV 是负载阶跃变化后调整管栅极电位的改变量 ， Isr是 误差放大器摆率 电流。 当 Isr足够大时，响应时间主要由系统闭环带宽决定。 因此 在高速 LDO电路的设计中 常 常 需要牺牲功耗，将 Isr设 置 得 较大，以加快系统的响应速度。 随着 LDO响应负载阶跃变化 的 结束，系统经过调整时间 2t 后，输出电压重新稳定，比 标称输出电压 值减小了 2V ， 其 变化量 2V 可以用 式 (33)表示： 2 (max)o reg OV R I (33) 其中 ， oregR 是 LDO系统的闭环输出阻抗，是调整管导通电阻减小 ( VA1 )倍后的输出 ， Io(ma x)是负载阶跃变化量。 2V 直观地在负载瞬态响应中反映 了 系统的负载调整能力。 而调整时间 2t 的确定主要依赖于调整管输出电流驱动输出电容和旁路电容的能力，以及系统开环频率响应的相位裕度参数。 相位裕度越大，意味着系统越稳定，同时调整时间也将越长。 当负载由最大值突然阶跃到非常小时，系统同样需要一个响应时间 3t ，产生 15 一个负向的过冲值 3V ，它们的表 达式分别为 , m a x , m a x33 1LL e s r e s ro u t b o u t b c lIIV t V VC C C C B W         (34) 3 1clt BW (35) 比较 式 (32)和 (35)，上面两式中 3t 比 1t 更小，这主要 是 因为当负载阶跃变小时，调整管栅极寄生电容对响应时间的贡献可以忽略不计， 使 3t 只等于系统闭环带宽的 倒数 ，这样也使过冲 值 3V 比 trmaxV 更小一些。 LDO响应时间结束 后 ，调整管随之关闭，输出电压的改变量下降到 4V ，然后经 过 4t 时间调整， LDO稳定输出。 此时，输出电压的调整将主要取决于 LDO系统的输出电容参数，即： 43 esrV V V    (36)   14 4 4o u t b Fo u t bp u ll d o w n r e fC C RCCt V VIV     (37) 其中 ， pull downI  为 LDO分压网络流过的小电流 ， 1FR 是 反馈比例电阻网络的电阻 之一。 由以上的分析 可以看到附加的高频旁路电容 (低 ESR)减小了负载瞬态响应的峰值，即 trmaxV 和 3V。 这是因为负载阶跃时，会 由 outC 首 先提供部分电流来满足阶跃输出电压的改变，此时 附加的 bC 同样可以提供部分电流，这样相当于减缓了 outC提供电流变化而 造成 电压下降的强度。 从上面的分析可以得出结论：在 LDO线性稳压器中，主要由系统的闭环带宽、输出电容和负载电流这几个因素决定负载电流阶跃引起输出电压变化的幅度和响应时间。 输出电压最大变化量是系统闭环带宽和摆率的函数，而带宽和摆率又受电路静态电流的严格限制。 因为带宽的增加，需要寄生极点对应频 率也相应增加， 16 这样就需要增大静态电流而减小寄生极点的阻抗。 因此，就要牺牲功耗，增大误差放大器的静态电流，以获得较快的响应速度。 另外，摆率的提高，也需要增大误差放大器的输出级电路的偏置电流，以提供更强的驱动电流，驱动 调整管栅极寄生 节 点的大电容。 所以系统的低功耗设计和负载瞬态响应是矛盾的，在设计 LDO稳压器时要折衷考虑这两者的关系。 LDO 系统电路的直流研究 在 LDO线性稳压器的直流研究中，应该重点考虑系统电路的负载调整率和线性调整率 这 两项指标，它们都是静态参数，在分析时可以不考虑电路中的储能元件 [18]。 负载调整率的研究 假设某一时刻输出电流变化 oI ，由此引起的输出电压变化为： out o outV I R    (38) 对于由调整管、误差放大器和反馈比例电阻构成的闭合回路来说，输出电压变化outV 被采样反馈给误差放大器输入端的电压信号为： 112Fs outFFRVVRR    (39) 它经过误差放大器和调整管的放大 后对输出电流的影响变为： 112Fo s m a m p o u t m a m p o aFFRI V g g V g g RRR          (310) 由 (310)式得 ： 1211out FFo u t m a m p o a FV RRI g g R R    (311) 从上式就可以得知负载调整率与系统电路的开环增益成反比，系统的直流增益越大， LDO稳压。