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线性稳压电源件补偿技术分析

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-07-13 13:12    点击量:

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。假设直流电源增益为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频率通常称为稳压电源回路带宽(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)
此稳压电源回路稳定么?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°)。该稳压电源回路可能引起振荡。

NPN 稳压电源补偿
NPN 稳压电源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稳压电源输出阻抗。也就意味着电源范围内的极点出现在稳压电源回路增益曲线的高频部分。由于NPN稳压电源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的内部集成了一个稳压电源电容,该稳压电源电容在环路增益的低频端添加了一个极点。
NPN稳压电源的主极点(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点在稳压电源回路增益为-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,稳压电源回路很显然是稳定的。因为需要两个极点才有可能使稳压电源回路要达到-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稳压电源的补偿
LDO稳压电源中的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稳压电源输出阻抗。由于负载阻抗和稳压电源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稳压电源有下面的条件:
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)。
假设直流电源增益为80dB。Rl =100Ω(在最大负载电流时的值),Cout=10uF。
可以看出稳压电源回路是不稳定的: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),在稳压电源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稳压电源都需要在稳压电源回路中添加这个零点。该零点一般是通过稳压电源输出稳压电源电容的一个特性:等效串联电阻(ESR)获得的。

使用ESR补偿LDO
等效串联电阻(ESR)是每个稳压电源电容共有的特性。可以将稳压电源电容表示为电阻与稳压电源电容的串联。稳压电源输出稳压电源电容的ESR在稳压电源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和稳压电源输出稳压电源电容值直接相关:Fzero= 1/(2π×Cout×ESR)。使用上一节的例子,我们假设稳压电源输出稳压电源电容值Cout=10uF而且稳压电源输出稳压电源电容的ESR=1Ω。则零点发生在16kHz。
添加此零点如何使不稳定稳压电源系统变为稳定稳压电源系统:
稳压电源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,稳压电源系统非常稳定。这也就解释了具有正确ESR值的稳压电源输出稳压电源电容是可以产生零点来稳定LDO稳压电源系统的。 

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