一板成功 案例解析2:LDO输出滤波电容ESR配置不当致电源输出振荡

发布日期:2022-05-26 08:41   来源:未知   阅读:

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  针对LDO应用,建议了解模块的拓扑结构,包括NPN型、PNP型、PMOS型、NMOS型等,因为其拓扑与LDO参数、应用场合是强相关的。

  例如PMOS型LDO适合应用于较高输入、输出电压的场景,因为PMOS型LDO输入极为源极S,增加输入与误差放大器之间的压差V GS,有利于减小PMOS管的源极与漏极间的等效导通电阻R dson,实现较低的管压降,从而进一步降低热损耗、提升效率,图1为PMOS型LDO反馈框图。

  另外,使用增强PMOS型LDO,若输入电压过低,可能无法满足MOS进入饱和区的条件。

  LDO参数中,效率、精度、压降、静态电流、电源抑制比等参数,在设计中需要予以重点关注,同样适用于指导故障排查。另外,稳定性分析和热设计也是LDO电路设计应用中需加注意的问题,下面的案例就是有关LDO稳定性分析的案例。

  本案例核心电路为PMOS型LDO,电源模块及其外围匹配电路如图2所示, R 1、 R 2为反馈电阻,另配置滤波钽电容 C T,去耦陶瓷电容 C。

  实际应用中,使用相同电容容值C的陶瓷电容代替钽电容C T做旁路滤波电容,发现LDO输出电压发生振荡。

  LDO应用,因输出电容配置不当导致系统不稳定是LDO的常见故障。对LDO电路模块建立传递函数模型,并进行频域分析。系统模型如图3所示。

  I= g m * V gs为等效小信号模型后,通过PMOS源极与漏极的电流。

  R par和C par为误差放大器输出端配置的电阻和电容,作用是对误差放大器输出滤波,从控制系统传递函数的角度看,是为系统配置了一个极点。

  计算电路的输出阻抗,其中 R dson 远小于R 1+R 2,旁路陶瓷电容C远小于钽电容 C T,整理得到:

  理想PMOS型LDO匹配外围电路后的伯德图幅值特性曲线和相位特性曲线为图中实线所示,其中幅值特性曲线轴”时,所对应的相位与-180°的差值,是该传递函数的相位裕度,表征系统的稳定性。

  在发生LDO输出振荡的电路中,用于旁路的钽电容被更换为容值相同的陶瓷电容,大大降低了电容的等效串联阻抗 R ESR ,直接导致开环传递函数的零点 Z 0 朝高频方向移动,其幅值特性曲线穿越频率处的相位裕度减小,系统处于不稳定状态。

  一般情况下,LDO含ESR配置需求时,会在手册中注明配置电容ESR的稳定性(stable)范围,需要按照手册执行电路设计,保障LDO输出的稳定性。

  另外传递函数的稳定性一方面和LDO的拓扑相关,例如NMOS型的LDO,其健壮性不依赖于外部配置电容参数;另一方面和LDO设计相关,为了保障其稳定性,多在芯片内部配置零点。