直流穩(wěn)壓電源參數(shù)詳解

直流穩(wěn)壓電源參數(shù)詳解線性直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的主要參數(shù)有:輸入輸出電壓差，線性調(diào)節(jié)率，負(fù)載調(diào)節(jié)率，接地電流，電源效率，輸出準(zhǔn)確率，瞬態(tài)響應(yīng)，頻率響應(yīng)，輸出噪聲電壓等.本文將比較詳細(xì)地分別介紹這些參數(shù)輸出電壓差（Dropoutvoltage）輸出電壓差在線性穩(wěn)壓器中是一個非常重要的參數(shù)，而其定義為：當(dāng)輸入電壓（電壓源）降到某個程度時，其輸出電壓將不再穩(wěn)壓在預(yù)計(jì)的輸出電壓，而在臨界點(diǎn)時的輸入電壓與輸出電壓的差值即為壓降電壓。以圖1為例，其輸出電壓差為3.3V-2.5V=800mV。簡單來說就是輸出功率晶體管的漏極和源極的壓差，直接關(guān)系到的就是電源功率的消耗，越大的跨壓所損失的功率就越大，所以說，輸出電壓差是越小越好。圖1LDO輸出與輸入電壓關(guān)系對輸出PMOS晶體管而言，其漏極是連接到輸出端，因此當(dāng)輸入端（源極）電壓很小時，晶體管守閉狀態(tài)，當(dāng)源極電壓加大后，晶體管開啟，輸出端電壓開始爬升，一直到穩(wěn)定的設(shè)定值之間的這段輸入電壓差，即是輸出電壓差。其實(shí)對于輸出晶體管來說，就是它的飽和電壓差（VSD-sat），當(dāng)MOS晶體管大小確定，且閘極電壓固定之后，其飽和電壓差基本上就不會改變，所以提供閘極電壓的前一級放大器，和輸出晶體管的大小在設(shè)計(jì)上都要能達(dá)到理想的輸出電壓差。對于電源功率消耗的部份，將晶體管飽和電壓VSD-sat）差乘上輸出端所流過的電流，即是消耗功率，P=IOUTXVSD-sat對于一個可攜帶式電子產(chǎn)品來說，都是由電池來提供電源，這部份的電源消耗當(dāng)然是越小越好，以求電池壽命能夠長久，低壓降線性穩(wěn)壓器能夠如此受歡迎的原因，就是在這方面能夠節(jié)省很多的電力。

線性調(diào)節(jié)率(Lineregulation)這項(xiàng)參數(shù)在線性穩(wěn)壓器中也是非常重要的，指的是當(dāng)輸入電壓產(chǎn)生變化時，相對于輸出端電壓的改變。我們預(yù)期當(dāng)輸入電壓改變時，輸出電壓能一直維持穩(wěn)定，但是實(shí)際上是有小幅改變，通常以百分比（％）表示。如圖（2）所示，分析電路可得：圖2LDO電路結(jié)構(gòu)由于輸入電壓改變時，會造成反饋電壓的改變，再由誤差放大器加以調(diào)節(jié)輸出晶體管（PMOS），來控制輸出電壓，因此若增加整個電路的開回路增益，對于線性調(diào)節(jié)率的提升有很大的幫助。負(fù)載調(diào)節(jié)率（Loadregulation）相對于線性調(diào)節(jié)率，線性穩(wěn)壓器另一個主要考慮就是負(fù)載調(diào)節(jié)率，表示當(dāng)負(fù)載端有變化，也就是輸出電流有改變時，輸出電壓的變化率。當(dāng)負(fù)載有變化時，輸出電壓會跟著改變，再由反饋網(wǎng)絡(luò)讓誤差放大器對于電壓變化作反應(yīng)，

控制輸出晶體管，輸出電流也會隨之改變來應(yīng)整個電壓的變化。如圖（2）所示，由式子可以看出，負(fù)載的改變造成電壓的變化，經(jīng)誤差放大器放大之后，輸出電流也跟著做變化。明顯的，最后的式子可以得知，負(fù)載調(diào)節(jié)率被線性穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)導(dǎo)Gm，也就是誤差放大器的增益乘上輸出晶體管的電流增益）所限制，所以要改善負(fù)載調(diào)節(jié)率，可以增加DC的電流增益，可以得到不錯的效果。接地電流（Groundcurrent）接地電流又稱為偏壓電流（Quiescentcurrent），就是輸入電流與輸出電流的差值，關(guān)系到整體的電流效率。Iq=Iin—lout一般而言，靜態(tài)電流包括了電路中的偏壓電流（如：誤差放大器、參考電壓源）和驅(qū)動輸出晶體管的電流，這些對于輸出效率并無幫助，造成無謂的消耗電源，因此在設(shè)計(jì)上是越小越好。一個以雙載子晶體管做為輸出端的線性穩(wěn)壓器，天生就存在有蠻大的靜態(tài)電流，也就是基極電流，且基極電流是正比于輸出電流，因此它的靜態(tài)電流是會隨輸出電流增加而變更大。在低壓降線性穩(wěn)壓器中，是使用MOS晶體管來當(dāng)作輸出晶體管，MOS晶體管是用VGS來控制電流，而其閘極并無電流通過，因此其靜態(tài)電流可以保持固定，且無視于負(fù)載端的變化，這也是用MOS當(dāng)輸出端優(yōu)于雙載子晶體管的好處之一。電源效率(Efficiency)

低壓降線性穩(wěn)壓器的效率，定義為輸出功率和輸入功率的比值:由上式可以看出，輸出和輸入電壓差，也是影響效率的因素之一，當(dāng)Iq很小，小到可以忽略的時候，明顯的效率是由輸出電壓和輸入電壓的比值決定。此外，當(dāng)穩(wěn)壓器操作在無負(fù)載的時候，也就是輸出電流為0時，上式就不適用來計(jì)算整體效率，此時Iq就顯得格外重要，Iq越小自然電池壽命也就得以維持更長久。輸出準(zhǔn)確率(Outputaccuracy)圖3輸出電壓誤差輸出電壓的準(zhǔn)確度和低壓降線性穩(wěn)壓器的各個部份的電壓誤差關(guān)系密切，像是：線性調(diào)節(jié)率(AVLIR)、負(fù)載調(diào)節(jié)率(AVLOR)、參考電壓偏移(AVREF)、誤差放大器電壓偏移(AVA)、外部回授電阻的誤差(AVR)、溫度系數(shù)(ATC)…等。輸出電壓誤差主要是由環(huán)境溫度改變所造成的參考電壓偏移、誤差放大器的特性改變(增益誤差、偏移電流)、電阻值誤差，這些誤差加上線性調(diào)節(jié)率和負(fù)載調(diào)節(jié)率通常會使得精確度改變1%~3%。另外，制造上的變異也同樣會造成上述各部份產(chǎn)生誤差。接下來仔細(xì)討論各

部份造成的誤差，就參考電壓源的部份，和輸出電壓的關(guān)系式為:從上述式子可以得到，參考電壓的誤差會直接影響到輸出電壓，而且是直接正比于誤差百分比。再有守于誤差放大器的誤差部分：圖誤差放大器電壓偏移考慮gaB>>1,將上兩是合并的結(jié)果:最后是電阻的誤差部分:圖4電阻值誤差關(guān)系式如上式，顯然的，電阻誤差影響輸出電壓相對于前面幾項(xiàng)來得比較小，且R2關(guān)系式如上式，的影響要比R1還要大。

瞬態(tài)響應(yīng)(Transientresponse)主要是當(dāng)負(fù)載電流在瞬間改變時，輸出電壓變化的情況以及電壓回穩(wěn)的時間。影響到瞬時響應(yīng)的包括：穩(wěn)壓器的頻寬、輸出電容(Gout).輸出電容的等效串聯(lián)電阻(Resr)、最大負(fù)載電流…等。圖5步階負(fù)載接下來分成幾個部分來分析當(dāng)負(fù)載改變時，輸出電壓的變化。首先以一個步階負(fù)載應(yīng)用，觀察相對的輸出電壓反應(yīng)，當(dāng)負(fù)載端忽然從穩(wěn)壓器抽取大量電流，此時由于穩(wěn)壓器頻寬的關(guān)系，反應(yīng)不及造成無法及時提供負(fù)載端足夠的電流，輸出電壓就如圖(5)中T1時間內(nèi)的反應(yīng)，產(chǎn)生一段不小的壓降(Vdip)，這段時間內(nèi)由輸出電容暫時提供負(fù)載所需的大量電流，由COUT流向VOUT。圖(2.8)輸出電壓對于負(fù)載之變化T1時間的大小，主要是由穩(wěn)壓器的頻寬與旋轉(zhuǎn)率所決定時間T2的長度與傳輸組件對Cout充電和穩(wěn)壓器的閉回路相位響應(yīng)有關(guān)，時間T3的Vpeak是由于當(dāng)負(fù)載瞬間移除，傳輸組件供應(yīng)過多的電流所致。時間T4,穩(wěn)壓器開始將電壓拉至設(shè)定的輸出電壓。輸出電容的等效串聯(lián)電阻真實(shí)的電容模型如圖（6），真實(shí)電容有寄生電感與電阻。輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）是用來使得LDO能有足夠的頻率穩(wěn)定性，ESR數(shù)值的大小會影響到零點(diǎn)與極點(diǎn)的位置。LDO制造商通常會提供建議使用輸出電容值與ESR穩(wěn)定區(qū)間，如圖（7）圖6真實(shí)的電容模型

圖7等效串聯(lián)電阻值穩(wěn)定范圍頻率響應(yīng)(frequencyresponse)圖(8),表示LDO的AC小訊號等效電路，分析電路得輸入與反饋的轉(zhuǎn)換函數(shù)：gma、gmp分表示誤差放大器之轉(zhuǎn)導(dǎo)與傳輸組件之轉(zhuǎn)導(dǎo)，Rpar,Cpar表示寄生電阻與電容。圖8交流等效電路經(jīng)由上式可發(fā)現(xiàn)，整個回路中存在3個極點(diǎn)以及一個零點(diǎn)，這與其穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)有密切的關(guān)系。第一個極點(diǎn)，也就是主極點(diǎn)，是由輸出電容以及低壓降線性穩(wěn)壓器的輸出阻抗所造成第二個極點(diǎn)，是由誤差放大器到輸出晶體管之間寄生電容和電阻所形成:第三個極點(diǎn)，是由輸出電容的等效串連電阻以及Cb所形成:至于零點(diǎn)，是由輸出電容以及其等效串連電阻所形成:極點(diǎn)及零點(diǎn)的位置，與誤差放大器及輸出電容大小有關(guān)。故為了讓整個電路達(dá)到良好的穩(wěn)定度，便將零點(diǎn)位置控制在單增益頻率（fT）附近，可有效提升電路的相位邊限，進(jìn)而使穩(wěn)定度提高?；诜€(wěn)定度之限制的緣故，使得開回路直流增益無法提高，而造成線性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率與精確度有所限制。若是要有最佳的線性調(diào)節(jié)率、負(fù)載調(diào)節(jié)率與精確度，則必須提升開回路直流增益，但無限制地提高開回率直流增益，則會造成相位邊限的不足。由上面所述，一個沒有補(bǔ)償?shù)牡蛪航稻€性穩(wěn)壓器，會因?yàn)閮蓚€極點(diǎn)的效果，如圖（9），使得相位在單增益頻率時變?yōu)?180°，整個電路也會因此而震蕩，故由等效串聯(lián)電阻所形成的零點(diǎn)，對于一個低壓降線性穩(wěn)壓器而言十分重要，以下對于這個等效串聯(lián)電阻加以討論：當(dāng)?shù)刃Т?lián)電阻太大的情形，如圖（10），會造成零點(diǎn)位置過小，使得原本在單增益頻率之下的第三個極點(diǎn)也跑到前面，而拉低了相位邊限，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。圖9無頻率補(bǔ)償之頻率響應(yīng)

圖10過大ESR之頻率響應(yīng)再看等效串聯(lián)電阻太小的情況，如圖（1