EEPW论坛

15  LDO稳压器的补偿

LDO稳压器中的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输出阻抗。由于负载阻抗和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，又称负载极点（load pole），用Pl表示。负载极点的频率由下式计算获得：

F（Pl）＝1/（2π×Rload×Cout）

从此式可知，LDO不能通过简单的添加主极点的方式实现补偿。为什么?先假设一个5V/50mA的LDO稳压器有下面的条件,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 （9）

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）。

假设直流增益为80dB。在最大输出电流时的负载阻值为RL＝100Ω，输出电容为Cout＝10uF。

使用上述条件可以画出相应的波特图。

可以看出回路是不稳定的。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。

因此，几乎所有的LDO都需要在回路中添加这个零点。该零点一般是通过输出电容的等效串联电阻（ESR）获得的。

15.1  使用ESR补偿LDO

等效串联电阻（ESR）是电容的一个基本特性。可以将电容表示为电阻与电容的串联等效电路。

输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点，可以用来减少负相移。零点处的频率值（Fzero）与ESR和输出电容值密切相关：

Fzero＝1/（2π×Cout×ESR）

前面例子，假设输出电容值Cout＝10uF，输出电容的ESR＝1Ω。则零点发生在16kHz。波特图显示了添加此零点如何使不稳定的系统恢复稳定。

回路的带宽增加了，单位增益（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（Positive Phase Shift）。也就是减少了极点PL和P1造成的负相移（Negative Phase Shift）。极点Ppwr处在500kHz，在100kHz处它仅增加了－11°的相移。累加所有的零、极点，0dB处的总相移为－110°。也就是有＋70°的相位裕度，系统非常稳定。

这就解释了选择合适ESR值的输出电容可以产生零点来稳定LDO系统。

15.2  ESR和稳定性

通常所有的LDO都会要求其输出电容的ESR值在某一特定范围内，以保证输出的稳定性。LDO制造商会提供一系列由输出电容ESR和负载电流（Load Current）组成的定义稳定范围的曲线（图16：典型LDO的ESR稳定范围曲线），作为选择电容时的参考。要解释为什么有这些范围的存在，使用前面提到的例子来说明ESR的高低对相位裕度的影响。

15.3  高ESR

同样使用上一节提到的例子，我们假设10uF输出电容的ESR增加到20Ω。这将使零点的频率降低到800Hz。

降低零点的频率会使回路的带宽增加，它的单位增益（0Db）的交点频率从100kHz提高到2MHz。带宽的增加意味着极点Ppwr会出现在带宽内。分析图17波特图中曲线的相位裕度，发现如果同时拿掉该零点和P1或PL中的一个极点，对曲线的形状影响很小。也就是说该回路受到－90°相移的低频极点和发生－76°相移的高频极点Ppwr共同影响。

尽管有14°的相位裕度，系统可能会稳定。但很多经验测试数据显示，当ESR＞10Ω时，由于其它的高频极点的分布（在此简单模型中未表示）很可能会引入不稳定性。

15.4  低ESR

选择具有很低的ESR的输出电容，由于一些不同的原因也会产生振荡。继续沿用前面的例子，假定10uF输出电容的ESR只有50mΩ，则零点的频率会变到320kHz。

不用计算就知道系统是不稳定的。两个极点P1和PL在0dB处共产生了－180°的相移。如果要系统稳定，则零点应该在0dB点之前补偿正相移。然而，零点在320kHz处，已经在系统带宽之外了，所以无法起到补偿作用。

15.5  输出电容的选择

综上，输出电容是用来补偿LDO稳压器的，所以选择时必须谨慎。基本上所有的LDO应用中引起的振荡都是由于输出电容的ESR过高或过低。

LDO的输出电容，通常钽电容是最好的选择（除了一些专门设计使用陶瓷电容的LDO，例如：LP2985）。测试一个AVX的4.7uF钽电容可知它在25℃时ESR为1.3Ω，该值处在稳定范围的中心。

另一点非常重要，AVX电容的ESR在－40℃到＋125℃温度范围内的变化小于2:1。铝电解电容在低温时的ESR会变大很多，所以不适合作LDO的输出电容。

必须注意大的陶瓷电容（≥1uF）通常会用很低的ESR（＜20mΩ），这几乎会使所有的LDO稳压器产生振荡（除了LP2985）。如果使用陶瓷电容就要串联电阻以增加ESR。大的陶瓷电容的温度特性很差（通常是Z5U型），也就是说在工作范围内的温度的上升和下降会使容值成倍的变化，所以不推荐使用。