线性稳压器波特图解析

一个包含三个极点和一个零点的波特图将用来分析增益和相位裕度。假设直流增益为80db,第一个极点发生在100hz处。在此频率时,增益曲线的斜度变为-20db/十倍频程。1khz处的零点使斜度变为0db/十倍频程,到10khz处增益曲线又变成-20db/十倍频程。在100khz处的第三个也是最后一个极点将增益斜度最终变为-40db/十倍频程。
也可以看到单位增益点(0db)交点频率是1mhz。0db频率通常称为回路带宽(loop bandwidth)。相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。根据分布的零极点计算相移的总和。在任意频率(f)上的极点相移,可以通过下式计算获得:
极点相移= -arctan(f/fp)
在任意频率(f)上的零点相移,可以通过下式计算获得:
零点相移= -arctan(f/fz)
此回路稳定么?为了回答这个问题,我们只需要知道0db时的相移(是1mhz)。根本无需复杂的计算。
前两个极点和第一个零点分布使相位从-180°变到+90°,最终导致网络相位转变到-90°。最后一个极点在十倍频程中出现了0db点。使用零点相移公式,该极点产生了-84°的相移(在1mhz时)。加上原来的-90°相移,全部的相移是-174°(也就是说相位裕度是6°)。该回路可能引起振荡。
npn 稳压器补偿
npn 稳压器的导通管的连接方式是共集电极的方式。所有共集电极电路的一个重要特性就是低输出阻抗。也就意味着电源范围内的极点出现在回路增益曲线的高频部分。由于npn稳压器没有固有的低频极点,所以它使用了一种称为主极点补偿(dominant pole compensation)的技术。此时,在ic的内部集成了一个电容,该电容在环路增益的低频端添加了一个极点。
npn稳压器的主极点(p1)一般设置在100hz处。100hz处的极点将增益减小为-20db/十倍频程直到3mhz处的第二个极点(p2)。在p2处,增益曲线的斜率又增加了-20db/十倍频程。p2点的频率主要取决于npn功率管及相关驱动电路,因此有时称此点为功率极点(power pole)。因为p2点在回路增益为-10db处出现,也就表示了0db频率处(1mhz)的相位偏移会很小。
为了确定稳定性,只需要计算0db频率处的相位裕度:第一个极点(p1)会产生-90°的相位偏移,但是第二个极点(p2)只增加了-18°的相位偏移(1mhz处)。也就是说0db点处的相位偏移为-108°,相位裕度为72°(非常稳定)。应该提起注意的是,回路很显然是稳定的。因为需要两个极点才有可能使回路要达到-180°的相位偏移(不稳定点),而p2又分布在高频位置,它在0db处的相位偏移就很小了。
ldo稳压器的补偿
ldo稳压器中的pnp导通管的接法为共射方式(common emitter)。它相对共集电极方式有更高的输出阻抗。由于负载阻抗和输出容抗的影响在低频程处会出现低频极点(low-frequency pole)。此极点(称为负载极点(load pole)用pl表示)的频率由下式获得:
f(pl) =1/(2π×rload×cout)。从此式可知,不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿。
为了解释为什么会这样,先假设一个5v/50ma的ldo稳压器有下面的条件:
在最大负载电流时,负载极点(pl)出现的频率为:
pl=1/(2π×rload×cout)=1/(2π×100×10-5)=160hz
假设内部的补偿在1khz处添加了一个极点。由于pnp功率管和驱动电路的存在,在500khz处会出现一个功率极点(ppwr)。
假设直流增益为80db。rl =100ω(在最大负载电流时的值),cout=10uf。
可以看出回路是不稳定的:极点pl和p1每个都会产生-90°的相移。在0db处(此例为40khz),相移达到了-180°为了减少负相移(阻止振荡),在回路中必须要添加一个零点。一个零点可以产生+90°的相移,它会抵消两个低频极点的部分影响。基本上所有的ldo稳压器都需要在回路中添加这个零点。该零点一般是通过输出电容的一个特性:等效串联电阻(esr)获得的。
使用esr补偿ldo
等效串联电阻(esr)是每个电容共有的特性。可以将电容表示为电阻与电容的串联。输出电容的esr在回路增益中产生一个零点,可以用来减少负相移。零点出现的频率值与esr和输出电容值直接相关:fzero= 1/(2π×cout×esr)。使用上一节的例子,我们假设输出电容值cout=10uf而且输出电容的esr=1ω。则零点发生在16khz。
添加此零点如何使不稳定系统变为稳定系统:回路的带宽增加了所以0db的交点频率从30khz移到了100khz。到100khz处该零点总共增加了+81°相移。也就是减少了pl和p1造成的负相移。因为极点ppwr处在500khz,在100khz处它仅增加了-11°的相移。累积所有的零、极点,0db处的总相移现在为-110°。也就是有+70°的相位裕度,系统非常稳定。这也就解释了具有正确esr值的输出电容是可以产生零点来稳定ldo系统的。

TMAH溶液进行化学蚀刻后晶体平面的表征研究
PCB元器件封装知识
真无线耳机什么牌子好?无线入耳式耳机音质排行榜!
HP8563E HP8594E HP8563E HP8594
相序保护器的操作
线性稳压器波特图解析
车用PCB迎来“春天”?名幸电子营收创历史新高 !
面对盒装CPU和散片CPU,我们该如何选择
《全球量子计算动态观察》聚焦全球最强量子计算机“鱼鹰”
PCB设计中的叠层
基于多任务优化和人工智能赋能态势感知技术
高光谱成像仪越来越受欢迎的主要原因
食品重金属快速分析仪的功能特点
符号执行技术可识别安全关键代码中的漏洞
智能家居在消费者的生活中扮演着重要角色
解决人口难题的终极方案:家庭服务机器人
虹科分享|关于SANS报告的顶级勒索软件洞察
“台湾首支互动式VR”《海造的风机》
国内两大人工智能产业协同平台落户南京
苹果iOS 14自由度提高 用户取得更多控制权