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LDO稳压器内部频率补偿电路及满足系统稳定性要求的应用设计

电子设计 ? 2021-03-09 11:07 ? 次阅读

作者:刘鸿雁;来新泉;黄涛涛

LDO稳压器的调整元件通常采用PNP管或PMOS管,通过共射或共源的结构输出,因此,LDO稳压器的输出阻抗比较高,受负载的影响较大,容易造成系统的不稳定。通常利用输出电容的等效串联电阻进行频率补偿,以改善其稳定性。这种方法对输出电容有很高的要求,特别是ESR,若处理不党会提高电源管理方案的成本。本文提出了将频率补偿电路设计到稳压器内部的方法,降低了对输出电容的要求,并且补偿的零点跟随负载电流变化,降低了负载电流变化对系统稳定性的影响。

LDO稳压器内部频率补偿电路及满足系统稳定性要求的应用设计

LDO稳压器的频率补偿原理

影响LDO系统稳定性的主要因素有:误差放大器、调整管、反馈电阻网络、输出电容及其等效串联电阻和旁路电容等。

LDO稳压器的典型频率响应如图1所示。其中UGF代表单位增益频率(Unitygainfrequency)。虚线代表ESR的稳定范围。

零点ZESR和极点Pb由RESR决定,当RESR改变时,ZESR和Pb也上下移动,使得环路稳定性受到影响。因此,为了保证系统的稳定,必须选择合适的RESR。LDO稳压器的应用资料一般会提供保证系统稳定所需RESR值的范围。通常钽电容的ESR值较为合适,并且比较准确,但其价格比较昂贵,这无疑增加了设计成本。

同时,采用输出电容的等效串联阻抗进行频率补偿的另一个缺点是,ESR对LDO稳压器的瞬态响应的影响。在最坏情况下,当负载电流瞬态从零变化到最大值时,输出电压最大的瞬态变化量为:
o4YBAGBG6K6AI4KxAAAZK49ZdDM836.png

其中,苩1是LDO需要的响应时间,如果忽略压摆率的影响,苩1约等于闭环带宽的倒数。芕ESR是ESR上的电压变化量。由等式可看出,ESR越大,对瞬态响应特性影响越大。

针对LDO稳压器利用ESR进行频率补偿存在的不足,本文提出的内部动态频率补偿电路对此进行了改进。

内部动态频率补偿电路的设计

采用内部动态频率补偿电路的LDO稳压器系统如图2所示。电路内部添加了一个RC补偿网络,并采用了两级放大结构。第一级放大器采用跨导运放实现,第二级放大器采用输出阻抗较小的放大结构。

从图2中可得出其主要的零极点如下:

o4YBAGBG6LmAcFH5AABxyKSloUM250.png

从第一个极点Po的表达式可得出,该极点与负载电流成正比,如果内部RC网络产生的零点频率固定不变,则单位增益带宽随着负载电流变化,同时可能会引起振荡,达不到补偿的效果。

针对以上问题,电路中可引入可变电阻构成的动态RC频率补偿网络,该电阻用工作在线性区的MOS管导通电阻来实现。通过在调整管处并联一个电流检测管,使其检测输出电流,以控制RC补偿网络可变电阻R的阻值,使零点Zc也随负载电流变化。当负载电流减小时,零点频率也减小;负载电流变大时,零点频率也变大。此时,零点Zc和极点Po同时随负载电流增大或减小,保证了稳定性和环路增益带宽不变。

频率补偿RC网络的具体电路如图3所示。可变电阻是M8的导通电阻,RC网络主要是由M1、M2、M4、M6、M7、M8、Cc构成的,其中M1是电流检测管,调整管M0用宽长比很大的PMOS管实现。

由M3、M5、R3构成的偏置电路,可以保证M0和M1的漏/源极电压基本相等,使电流ID1以恒定的系数正比于电流IL变化,ID1通过M4和M6构成的镜像电流源决定M7的电流。则:

o4YBAGBG6MSAGZVpAACQ-asUg3U365.png

由于第一级运放的输出阻抗较大,第二级放大器的输入阻抗也较大,并且M8没有电流流过,因此,M9的电流非常小,可以近似地认为。所以,

pIYBAGBG6PCASCn-AAAhgkbrixc524.png

此时,M8的导通电阻为:

o4YBAGBG6PuAISAIAAAqb-pjzYU459.png

为了保证等式(10)成立,VGS8必须大于VTH,通常M7选用一个宽长比较小的MOS管,而M9选用一个宽长比较大的MOS管。由表达式(11)得出,当负载电流IL减小时,导通电阻RON变大,补偿的零点频率减小;负载电流增大时,补偿的零点频率增大。

第二级放大器主要是对误差放大器的输出阻抗和调整管的栅寄生电容起隔离作用。第二级放大器的输出阻抗比较小,产生的第三个极点可在单位增益带宽之外,从而克服误差放大器的输出阻抗和调整管栅寄生电容产生的低频极点。

20101114115800541.gif

仿真验证

m该电路采用Hynix0.5CMOS工艺来实现。在Level28模型下,内部动态频率补偿电路的频率响应采用Hspice仿真,整个系统的相位裕度为60低澄榷ā£负载电流发生变化时,其频率响应曲线如图4所示。

由图4可看出,采用内部动态频率补偿电路,其环路增益带宽不随负载电流变化,满足系统稳定性的要求。

结语

本文提供了一种新颖的LDO稳压器内部动态频率补偿电路。与利用ESR进行频率补偿的方法相比,此电路不仅改善了瞬态响应特性,而且在提高LDO线性稳定性的同时,大大降低了对外部电容的ESR要求。此时可以采用ESR比较小的陶瓷电容,从而在提高性能的同时,降低了LDO稳压器的应用成本。

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NCP1587 低电压同步降压控制器

7和NCP1587A是低成本PWM控制器,设计采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1587和NCP1587A提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz(NCP1587)和200kHz(NCP1587A)振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电路。 NCP1587和NCP1587A还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启动功能。保护功能包括可编程短路保护和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易于使用 0.8V +/- 1%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易于使用 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流限制 易于使用 应用 终端产品 图形卡 台式计算机 服务器/网络 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 DSP和FPGA电源 电路图、引脚图和封装图...
发表于 08-09 11:38 ? 460次 阅读
NCP1587 低电压同步降压控制器

NCP6360 用于射频功率放大器的迷你降压转换器

0是一款PWM同步降压DC-DC转换器,专为提供用于3G / 4G无线系统(移动/智能手机,平板,平板电脑......)的射频功率放大器(PA)而优化由单节锂离子电池供电。该器件能够提供高达800 mA的电流。输出电压可通过模拟控制引脚VCON从0.6 V至3.4 V进行监控。模拟控制允许在通信期间动态优化RF功率放大器的效率,例如在漫游情况下,有利于增加通话时间。此外,在轻负载时,为了优化DC-DC转换器效率,NCP6360自动进入PFM模式,工作在较慢的开关频率,对应于PWM模式下的静态电流降低,器件在开关时工作频率为6 MHz。同步整流可提高系统效率。 NCP6360采用节省空间的1.5 x 1.0 mm CSP-6封装。 特性 优势 输入电压2.7V至5.5V 适合单节电池供电应用 使用控制引脚VCON的可调输出电压(0.6V至3.4V) 适用于电源跟踪应用 6 MHz开关频率 小型电感器和外部元件 PFM / PWM自动模式更改 轻载,中载和重载时的高效率 低静态电流(典型值30μA) 低功率应用 嵌入式热保护 防止IC损坏 1.5 x1.0mm2/ 0.5 mm间距CSP封装 小空间应用程序...
发表于 07-30 05:02 ? 343次 阅读
NCP6360 用于射频功率放大器的迷你降压转换器

NCP1592 同步降压稳压器 PWM 6.0 A 集成FET

2是一款低输入电压,6 A同步降压转换器,集成了30mΩ高侧和低侧MOSFET。 NCP1592专为空间敏感和高效应用而设计。主要特性包括:高性能电压误差放大器,欠压锁定电路,防止启动直到输入电压达到3 V,内部或外部可编程软启动电路,以限制浪涌电流,以及电源良好的输出监控信号。 NCP1592采用耐热增强型28引脚TSSOP封装。 特性 30mΩ,12 A峰值MOSFET开关,可在6 A连续输出源或接收器处实现高效率电流 可调节输出电压低至0.891 V,准确度为1.0% 宽PWM频率:固定350 kHz,550 kHz或可调280 kHz至700 kHz 应用 终端产品 低压,高密度分布式电源系统 FPGA 微处理器 ASICs 便携式计算机/笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 03:02 ? 103次 阅读
NCP1592 同步降压稳压器 PWM 6.0 A 集成FET

NCV8843 降压稳压器 1.5 A 340 kHz 具有同步功能

3是一款1.5 A降压稳压器IC,工作频率为340 kHz。该器件采用V 2 ?控制架构,提供无与伦比的瞬态响应,最佳的整体调节和最简单的环路补偿。 NCV8842可承受4.0 V至40 V的输入电压,并包含同步电路。片上NPN晶体管能够提供最小1.5 A的输出电流,并通过外部升压电容进行偏置,以确保饱和,从而最大限度地降低片内功耗。保护电路包括热关断,逐周期电流限制和频率折返短路保护。 特性 优势 V 2 ?控制架构 超快速瞬态响应,改进调节和简化设计 2.0%误差放大器参考电压容差 严格的输出调节 逐周期限流 限制开关和电感电流 开关频率短路时减少4:1 降低短路功耗 自举操作(BOOST) 提高效率并最大限度地降低片内功耗 与外部时钟同步(SYNC) 与外部时钟同步(SYNC) 1.0 A关闭静态电流 当SHDNB为最小时电流消耗最小化断言 热关机 保护IC免于过热 软启动 在启动期间降低浪涌电流并最大限度地减少输出过冲 无铅封装可用 应用 终端产品 汽车 工业 直流电源 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 01:02 ? 99次 阅读
NCV8843 降压稳压器 1.5 A 340 kHz 具有同步功能

NCP81255 用于IMVP8的单相稳压器

55是一款高性能,低偏置电流,单相稳压器,集成了功率MOSFET,旨在支持各种计算应用。该器件能够通过英特尔专有接口接口在可调输出上提供高达14 A的TDC输出电流。在高达1.2 MHz的高开关频率下工作允许采用小尺寸电感器和电容器。该控制器利用安森美半导体的专利高性能RPM操作。 RPM控制可最大化瞬态响应,同时允许不连续频率调节操作和连续模式全功率操作之间的平滑过渡。 NCP81255具有一个超低偏移电流监视放大器,具有可编程偏移补偿,用于高精度电流监视。 特性 优势 高电流状态下的自动DCM操作 效率更高 高性能RPM控制系统 更易于补偿 IMVP8英特尔专有接口支持 与英特尔CPU兼容 超低偏移IOUT监视器 准确性 动态VID前馈 可编程下垂增益 Ze ro Droop Capable 数字控制工作频率 这些设备无铅,无卤素/ BFR免费且符合RoHS标准 应用 工业嵌入式系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-30 00:02 ? 228次 阅读
NCP81255 用于IMVP8的单相稳压器

NCV51411 降压转换器 低电压 1.5 A 26??0 kHz 具有同步功能

11是一款1.5A降压稳压器IC,工作频率为260 kHz。该器件采用V2控制架构,提供无与伦比的瞬态响应,最佳的整体调节和简单的环路补偿。 NCV51411可承受4.5V至40V的输入电压,并包含一个与外部振荡器同步的输入。 NCV51411已通过汽车应用认证,也可作为CS51411商用级。 特性 优势 V2架构 提供超快速瞬态响应,改进调节和简化设计 2.0%误差放大器参考电压容差 准确的输出电压 开关频率下降短路条件下4:1 降低短路功耗 BOOST引??脚为片上NPN powertransistor提供额外的驱动电压 允许自举操作最大限度地提高效率 同步功能 并行供电操作或噪音最小化 睡眠模式的关闭引脚 提供掉电选项(...
发表于 07-30 00:02 ? 146次 阅读
NCV51411 降压转换器 低电压 1.5 A 26??0 kHz 具有同步功能

SG3525A PWM控制器

A PWM控制器用于控制所有类型的开关电源,可提供更高的性能和更少的外部元件数量。片内+5.1 V基准电压调整为+/- 1%,误差放大器的输入共模电压范围包括参考电压,因此无需外部分压电阻。振荡器的同步输入使多个单元可以从属,或者单个单元与外部系统时钟同步。通过连接在CT和放电引脚之间的单个电阻可以编程大范围的死区时间。该器件还具有内置软启动电路,仅需外接定时电容。关断引脚控制软启动电路和输出级,通过脉冲关断的PWM锁存器提供瞬时关断,以及具有更长关断命令的软启动循环。当VCC低于标称值时,欠压锁定会禁止输出和软启动电容的变化。输出级采用图腾柱设计,能够吸收和输出超过200 mA的电流。 SG3525A的输出级具有NOR逻辑,导致关闭状态的低输出。 特性 8.0 V至35 V操作 5.1 V +/- 1.0%修剪参考 100 Hz至400 kHz振荡器范围 单独的振荡器同步引脚 可调节死区时间控制 输入欠压锁定 锁存PWM以防止多个脉冲 逐脉冲关机 双源/灌电流输出:+/- 400 mA峰值 无铅封装可用* 应用 半桥 推拉式 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 21:02 ? 737次 阅读
SG3525A PWM控制器

NCP81248 用于IMVP8的三轨降压控制器

48包含一个两相和两个单相降压控制器,针对Intel IMVP8兼容CPU进行了优化。两相控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位为IMVP8 CPU提供精确调节的电源。两个单相控制器利用安森美半导体的高性能RPM操作。 RPM控制最大限度地提供响应,同时允许在连续频率缩放操作和连续模式全功率操作之间进行平滑过渡。单相导轨具有低偏移电流监测放大器,具有可编程偏移补偿,用于高精度电流监测。 特性 Vin范围4.5 V至25 V 在避免虚假OVP的情况下启动预充电负载 可调节Vboot(导轨3除外) 高阻抗差分输出电压放大器 动态参考注入 可编程输出电压摆率 动态VID前馈 每相差分电流检测放大器 开关频率范围200 kHz - 1.2 MHz 数字化稳定的开关频率 应用 嵌入式系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 20:02 ? 143次 阅读
NCP81248 用于IMVP8的三轨降压控制器

NCP81245 三轨输出控制器 兼容IMVP8

45是一款3轨多相降压解决方案,针对Intel IMVP8兼容CPU进行了优化,用户配置为3/2/1 + 3/2/1 + 1相,包括选项4/3/2 / 1 + 2/1 + 1.该控制器结合了真正的差分电压检测,电感器DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为笔记本电脑应用提供精确的稳压电源。多相轨控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)和DCR电流检测,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。单相控制器可用于SA或GTUS导轨。它利用了安森美半导体的专利高性能RPM操作。 RPM控制可最大化瞬态响应,同时允许不连续频率缩放操作和连续模式全功率操作之间的平滑过渡。单相轨道具有超低偏移电流监视放大器,具有可编程偏移补偿,可实现超高精度电流监视。 特性 优势 多阶段计数配置 灵活的用户可配置选项允许一部分匹配所有功能 与Drmos或离散驱动程序兼容 使用Drmos或Discrete解决方案的灵活选项每个阶段 动态参考注射? 支持全MLCC输出电容 精确的总电流求和放大器 自动相位脱落 开关频率300kHz至1.2MHz 应用 嵌入式系统 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 20:02 ? 274次 阅读
NCP81245 三轨输出控制器 兼容IMVP8

NCP81241 具有SVID接口的单相控制器 适用于台式机和笔记本CPU应用

41单相降压解决方案针对兼容Intel VR12.1的CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。单相控制器使用DCR电流检测,以降低的系统成本为动态负载事件提供最快的初始响应。 特性 优势 开关频率范围250 kHz - 1.2 MHz 引脚可编程 VIN范围4.5V-25V 涵盖桌面和笔记本应用程序 启动进入预充电负载 避免错误OVP 高性能操作误差放大器 数字软启动斜坡 应用 终端产品 CPU功率 笔记本电脑 台式电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 19:02 ? 153次 阅读
NCP81241 具有SVID接口的单相控制器 适用于台式机和笔记本CPU应用

NCP81610 采用PWM_VID和I2C接口优化的多相同步控制器 适用于新一代计算和图形处理器

10是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件可驱动多达8个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位开启,动态相位减小或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 特性 优势 符合NVIDIA OVR4i +规格 GPU Vcor??e规范合规性 支持最多8个阶段 支持高相位数和大电流 2.8 V至20 V电源电压范围: 宽线路输入电压范围 250 kHz至1.2 MHz开关频率(8相) 宽工作频率范围 欠压保护(UVP) 过压保护(OVP) 每相过流限制(OCL) 系统过流保护(OCP) 在避免虚假OVP的情况下启动预充电负载 可配置载重线 每相的真差分电流平衡检测放大器 相间动态电流平衡 电流模式双边沿调制,用于快速初始响应瞬态负载 宝保存接口(PSI) 自动阶段使用用户...
发表于 07-29 18:02 ? 369次 阅读
NCP81610 采用PWM_VID和I2C接口优化的多相同步控制器 适用于新一代计算和图形处理器

NCP6151 VR12 2相 3相 4相CPU控制器+ 1相GPU控制器

1 / NCP6151A双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)和DCR电流检测,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 ? 260次 阅读
NCP6151 VR12 2相 3相 4相CPU控制器+ 1相GPU控制器

NCP6131 IMVP7 1,2,3相CPU控制器+单相GPU控制器

1S / NCP6151SA / NCP6131S / NCP6131SA双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 ? 365次 阅读
NCP6131 IMVP7 1,2,3相CPU控制器+单相GPU控制器

NCP81142 VR多相控制器

42多相降压解决方案针对具有用户可配置4/3/2/1相位的Intel VR12.5兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动调频,同时保持优异的瞬态性能。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环路补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流监控。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 ? 168次 阅读
NCP81142 VR多相控制器

NCP1579 低电压同步降压控制器

9是一款低成本PWM控制器,采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1579提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电路。 NCP1579还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启动功能。保护功能包括可编程短路保护和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易用性 0.8V +/- 2.0%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易用性 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流限制 易用性 应用 终端产品 STB Blue-Ray DVD 液晶电视 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 STB 蓝光DVD 液晶电视 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 ? 309次 阅读
NCP1579 低电压同步降压控制器

NCP3012 同步PWM控制器

2是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8V的输出电压。 NCP3012提供集成栅极驱动器和内部设置的75kHz振荡器,能够与外部频率同步。 NCP3012具有外部补偿跨导误差放大器,内部固定软启动。 NCP3012将输出电压监控与电源良好引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180度异相时钟信号以驱动另一个NCP3012(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3012采用14引脚TSSOP封装。非常适合需要电源干扰最小的噪声敏感应用。 (医疗,网络等) 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 75 kHz操作 效率高 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加调节1 mA输出以供额外使用 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强的系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 应用...
发表于 07-29 17:02 ? 212次 阅读
NCP3012 同步PWM控制器
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