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ESR、穩定性和 LDO 調節器
發布者：diyadmin 發布時間：2013-8-21 11:41:05 閱讀：2179次
正如圖1給出的典型 PMOS 或 PNP 開環增益曲線圖所示，在基于 PMOS 或 PNP 調整元件的LDO 調節器中有三個重要的極點。主要極點 P（DOM）在調節器的誤差放大器中設置。負載極點 P（LOAD）由輸出電容器和負載形成，因此隨負載電流的不同而有所差異。通路設備極點P（PASS）由通路元件的寄生電容形成。為了保證任何負反饋系統的穩定，系統的開環增益在相位為 360° 時應在 0dB 之下（180° 的反饋信號加 180°誤差放大器的反相輸入）。換言之，系統必須具備充分的相位邊限，這就是說，相移量在增益為0dB時保持為 360°。由于每個極點會產生 90° 的相移和 20dB/10 倍頻（或 -1）的增益滾降，因此為了保證三極點高增益系統的穩定，就需要進行補償。如果開環增益曲線在達到 0dB 之前以 20dB/10 倍頻的速度滾降（也就是說，像單極點系統一樣），那么我們就說調節器無論在何種條件下都是穩定的（也就是說，有足夠的相位邊限）。最常見的補償方法是在系統中插入零來取消相移和一個極點的滾降。由于 LDO 已經就正常運行要求了一個輸出電容器，因此使用輸出電容器的ESR通常就是最簡單也最廉價的生成零的方法。
圖 1、 典型 PMOS 或 PNP LDO 調節器的開環響應
挑戰在于如何選擇一個具有正確 ESR 量的電容器。ESR 必須足夠高，以降低 Z（ESR） 頻率，從而保證增益變化斜線在達到 0dB 時為 －20dB/10 倍頻，而不是 －40dB/10 倍頻（－2），但它也要足夠低，從而保證 Z（ESR）頻率足夠高，這樣增益才能在 P（PASS） 之前達到0dB以下。
在 TI 的大多數調節器數據表單中，都會指定最低電容器值，并給出輸出電容器（通常還有另一個電容器）的 ESR 和輸出電流。圖 2 顯示了 TPS76050 的典型曲線。
圖 2、典型的ESR－輸出電流
該設備的曲線就最低的 2.2-μF 輸出電容器要求 ESR 必須在 0.1Ω 和 20Ω 之間。電容器的 ESR 一般不超過 2Ω，因此這里 ESR 的上限通�？珊雎�。下限實際上設置了 Z（ESR） 的最大值。就圖2給出的 2.2-μF 電容器而言，Z（ESR） 的最大值如下：
Z（ESR）= 1/（2 × π × R（ESR）× CO）= 72.3 kHz
因此，任何大于 0.1 × 2.2 x 10-6 = 2.2 x 10-7（但小于 20 × 2.2 x 10-6= 4.4 x 10-5）的電容和 ESR 產品，只要其電容大于所要求最小值，就都是穩定的。圖3給出的曲線反映了這一點。使用更大電容器的 LDO 調節器與較小的 ESR 在一起就是穩定的。事實上，更大的電容和/或較小的 ESR 值能夠改善輸出瞬時反應。
圖 3、輸出電容－ESR 示例
圖4 顯示了電容器阻抗曲線的一般形狀。電容器開始具有電容性（XC），隨后在其諧振點附近帶有電阻性（ESR），最后在高頻率時帶有電感應性（XL）。曲線（Z）的阻抗是上述每個成分的結合。
圖 4、電容器阻抗曲線的一般形狀
電容器通常都以特定頻率上的最大 ESR 確定。該頻率通常在 10 kHz 和 100 kHz 之間，且位于諧振點附近。為了保證電容器的最小 ESR 不低于最低 ESR 要求，設計人員應當向制造商處請求獲得整個有關溫度范圍內的 ESR－頻率曲線。某些制造商可能提供此信息。如果阻抗曲線可用的話，那么曲線停止下降而保持水平的區域就是電容器的 ESR 決定電容的地方。
我們也可以將小型的低 ESR 的電阻器與陶瓷電容器串聯在一起。該電阻器必須能夠適應溫度要求，能在穩定曲線許可范圍內保持其值。
進行負載瞬變測試并觀察輸出的振蕩量是確定所選電容是否穩定的****途徑。圖 5 顯示了以MOSFET 開關和函數生成器進行負載瞬變測試的測試設置。該設置適用于大多數電子負載，因為模擬的瞬變要快得多。
圖 5、負載瞬變設置
圖 6 顯示了以帶有2.2-μF 陶瓷（低 ESR）電容器的 TPS76050 設備所得出的測量結果。圖 7則顯示了以帶有2.2-μF 陶瓷電容器和 1Ω 串聯電阻器的 TPS76050 設備所得出的測量結果。圖6 中的結果顯示了初始尖峰脈沖后的多次擺動和振蕩，而圖7中的結果則顯示了穩定的負載瞬變。通常說來，四次或更少的振蕩則反映出已具備足夠的相位容限，設備能夠保持穩定。
 圖 6、帶有 2.2-μF 陶瓷電容器的 TPS76050 的負載瞬變 |
 圖 7、 帶有 2.2-μF 陶瓷電容器和 1Ω ESR 的 TPS76050 的負載瞬變 |
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