Warum sind Low-Dropout-Spannungsregler (LDO) instabil?

Ein LDO ist ein Regelkreis. Und wie bei allen Regelkreisen gibt es immer Raum für Instabilität.

Wie macht man also einen Regelkreis stabil?

1. Sie sorgen für ausreichenden Phasenspielraum (Phasendifferenz, wenn die Verstärkung die 0-dB-Achse und 180 dB kreuzt.
2. Die Steigung des Open-Loop-Plots sollte -20 dB/dec betragen, wenn die 0-dB-Achse gekreuzt wird
3. Stellen Sie eine ausreichende Verstärkungsspanne bereit

Wenn Sie sich eine typische Open-Loop-Antwort eines LDO ansehen, kann es so aussehen

Es gibt mehrere Pole.

1. Fehler Verstärkerpol - ein Pol aufgrund des Verstärkers
2. Lastpol - Pol aufgrund von Ausgangskondensator und Last
3. Parasitärer Pol – normalerweise innerhalb des Durchgangselements (in diesem Bild nicht gezeigt).

Es gibt auch eine Null in diesem Bild.

1. ESR Zero - eine Null aufgrund des Ausgangskondensators

Wenn Sie sich Punkt 2 einer stabilen Schleife ansehen, heißt es, dass die Steigung -20 dB/dec betragen sollte.

Nun, was wäre, wenn ... die Null nie da gewesen wäre. Das bedeutet, dass die Steigung, wenn sie 0 dB erreicht, -40 dB beträgt (aufgrund der beiden vorherigen Pole). Instabilität.

Das Hinzufügen einer Null vor der 0db-Achse macht das System stabil.

Der einfachste Weg, dem System eine Null hinzuzufügen, ist der ESR des Kondensators. Sie brauchen sowieso einen Kondensator, also schlagen Sie hier zwei Fliegen mit einer Klappe.

Der ESR ist wichtig, weil er die Platzierung der Null steuert. Es sollte niedrig genug sein, damit Sie die -20 dB/dec erhalten, wenn Sie die 0-dB-Achse überqueren, aber niedrig genug, dass die Verstärkung vor dem nächsten Pol unter 0 dB liegt (normalerweise aufgrund der Parasiten).

" Die älteren High-Dropout-Regler mit N-Typ-Transistoren schienen dieses Problem nicht zu haben. "

Die Antwort lautet wie folgt: Der als Regelelement verwendete npn-Transistor wird in Kollektorschaltung betrieben (Kollektorpotential muss höher sein als das des Emitters). Im Gegensatz dazu hat - wie in der Abbildung (bereitgestellt von efox29) - der pnp-Typ einen Kollektorwiderstand (den Spannungsteiler) und arbeitet als invertierender Common-Emitter-Verstärker mit Verstärkung. Daher ist die Nicht-Inv. Der Operationsverstärkereingang ist mit der Teilerkette verbunden (für eine negative Schleifenverstärkung).

Das bedeutet: Der npn-Transistor mit einem Emitterwiderstand arbeitet als Emitterfolger mit einer nichtinvertierenden Verstärkung von weniger als Eins (und der invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers muss verwendet werden). In Bezug auf die Stabilität ist es wichtig zu erkennen, dass daher die Gesamtschleifenverstärkung im Vergleich zum pnp-Fall viel kleiner ist. Als Folge werden Stabilitätsprobleme reduziert (oder verschwinden sogar). Als Nachteil reduziert die kleinere Schleifenverstärkung jedoch die Regeleigenschaften des gesamten LDO.