Dlaczego regulatory napięcia o niskim spadku mocy (LDO) są niestabilne?

Regulatory LDO oparte na tranzystorach typu P wydają się dziś preferowaną formą liniowego regulatora napięcia, ale wciąż słyszę o tym, jak ostrożnie dobierać kondensatory wyjściowe, aby zagwarantować stabilność. Wydawało się, że starsze regulatory wysokiego napięcia z tranzystorami typu N nie miały tego problemu. Co powoduje, że LDO są mniej stabilne? Czy to tranzystor typu P? Im mniejsza różnica pomiędzy i V o u t ? Obie? A może coś jeszcze? I dlaczego tak ważna jest ESR kondensatora wyjściowego?$V_{in}$$V_{out}$

LDO to pętla sterowania. I podobnie jak wszystkie pętle sterowania, zawsze jest miejsce na niestabilność.

Jak więc ustabilizować pętlę sterowania?

1. Zapewniasz wystarczający margines fazy (różnica w fazie od momentu, gdy wzmocnienie przecina oś 0 dB i 180.
2. Nachylenie wykresu z otwartą pętlą powinno wynosić -20db / dec podczas przekraczania osi 0dB
3. Zapewnij wystarczający margines zysku

Jeśli spojrzymy na typową odpowiedź LDO w otwartej pętli, może to wyglądać tak

Istnieje wiele biegunów.

1. Błąd wzmacniacza - biegun ze względu na wzmacniacz
2. Biegun obciążenia - biegun ze względu na kondensator wyjściowy i obciążenie
3. Biegun pasożytniczy - zwykle w obrębie elementu przejściowego (nie pokazano na tym obrazie).

Na tym obrazie jest również jedno zero.

1. ESR Zero - zero wynikające z kondensatora wyjściowego

Jeśli spojrzysz na punkt 2 stabilnej pętli, oznacza to, że nachylenie powinno wynosić -20db / dec.

A co jeśli ... nigdy nie było zera. Oznacza to, że nachylenie, gdy osiągnie 0db, wynosi -40db (ze względu na dwa poprzednie bieguny). Niestabilność.

Dodanie zera przed osią 0db zapewnia stabilność systemu.

Najłatwiejszym sposobem dodania zera do systemu jest ESR kondensatora. Tak czy inaczej potrzebujesz kondensatora, więc zabijasz tutaj dwa ptaki jednym kamieniem.

ESR ma znaczenie, ponieważ kontroluje położenie zera. Powinien być wystarczająco niski, abyś mógł uzyskać -20db / dec, gdy przekroczysz oś 0db, ale wystarczająco niski, aby wzmocnienie było poniżej 0 dB przed następnym biegunem (zwykle z powodu parastyczności).

„ Wydawało się, że starsze regulatory wysokiego napięcia z tranzystorami typu N nie miały tego problemu ”.

Odpowiedź jest następująca: Tranzystor typu NPN wykorzystywany jako element sterujący działa w konfiguracji wspólnego kolektora (potencjał kolektora musi być wyższy niż potencjał emitera). W przeciwieństwie do tego - jak pokazano na rysunku (dostarczonym przez efox29) - typ pnp ma rezystancję kolektora (dzielnik napięcia) i działa jako wzmacniacz odwracający ze wspólnym emiterem ze wzmocnieniem. Dlatego non-inv. wejście opamp jest podłączone do łańcucha dzielnika (dla całkowitego ujemnego wzmocnienia pętli).

Oznacza to: Tranzystor npn z rezystorem emitera działa jako popychacz emitera z nieodwracającym wzmocnieniem mniejszym niż jedność (i należy użyć terminalu wejściowego odwracającego opampa). Jeśli chodzi o stabilność, ważne jest, aby zdawać sobie sprawę, że dlatego całkowite wzmocnienie pętli jest znacznie mniejsze w porównaniu z przypadkiem pnp. W rezultacie problemy ze stabilnością są zmniejszone (lub nawet znikają). Jednak wadą jest to, że mniejsze wzmocnienie pętli zmniejsza właściwości regulacyjne całego LDO.