選擇保障線性穩(wěn)壓器穩(wěn)定度的ESR
發(fā)布時(shí)間:2021-01-05 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】輸出穩(wěn)定度對于任何電源設(shè)計(jì)而言都是一項(xiàng)關(guān)鍵問題。由于線性穩(wěn)壓器簡單易用(多數(shù)線性穩(wěn)壓器只有三個(gè)插腳),所以很容易忘記這一點(diǎn)的重要性。雖然目前具有許多能夠確保輸出穩(wěn)定的技術(shù),但最簡單且最經(jīng)濟(jì)有效的方案是添加或使用輸出電容器的等效串聯(lián)電阻(ESR)。
此處以帶5V輸出的低壓差正可調(diào)穩(wěn)壓器LM1084為例。LM1084能夠?yàn)樨?fù)載提供的電流為5A,它在可能存在大電流尖峰時(shí)能夠發(fā)揮作用。它還是一種準(zhǔn)穩(wěn)壓器,即傳輸晶體管是一種由PNP晶體管驅(qū)動(dòng)的單NPN晶體管,如圖1中所示。因其內(nèi)部架構(gòu)所需,準(zhǔn)穩(wěn)壓器的輸出電容器中一般需要部分ESR來確保穩(wěn)定度。
圖1:準(zhǔn)穩(wěn)壓器內(nèi)部簡化示意圖
一般來說,鉭電容器和電解電容器的ESR足以確保穩(wěn)定度,但由于設(shè)計(jì)的空間要求越來越受限,因此尺寸較小的陶瓷電容器成為了理想選擇。由于陶瓷電容器幾乎不存在任何ESR,因此添加外部串聯(lián)電阻只是用來模擬其行為。在本文中,我將使用LM1084來演示如何估算輸出中的最佳ESR值以及如何在實(shí)驗(yàn)室中測試其有效性。
測試穩(wěn)定度的方法
測試穩(wěn)定度的傳統(tǒng)方法是借助頻率響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀,將一個(gè)小的正弦信號引入反饋環(huán)路中并測量增益和相位響應(yīng)交叉頻率。這種方法需要切斷反饋環(huán)路,因此通常無法對反饋環(huán)路內(nèi)置于集成電路(IC)中的固定輸出穩(wěn)壓器進(jìn)行測試。這種方法設(shè)置起來較為繁瑣,需要額外的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,而且預(yù)防措施采取不當(dāng)還可能會(huì)造成誤差。
簡單的方法是進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)測試,然后觀察輸出的振鈴。圖2是設(shè)置實(shí)例,能夠?yàn)?V的穩(wěn)壓器輸出提供50mA~1A的負(fù)載瞬態(tài)。函數(shù)發(fā)生器向N溝道FET的柵發(fā)送矩形波。當(dāng)N溝道FET被驅(qū)動(dòng)時(shí),總負(fù)載電阻的有效值為5Ω。當(dāng)N溝道FET沒有被驅(qū)動(dòng)時(shí),負(fù)載電阻為100Ω,剛好可以滿足最小負(fù)載要求。
圖2:負(fù)載瞬態(tài)測試設(shè)置
觀察輸出振鈴
可通過觀察負(fù)載瞬態(tài)的輸出振鈴來判定穩(wěn)壓器是否穩(wěn)定。圖3是帶有陶瓷輸出電容器和未添加外部ESR的LM1084的示意圖。圖4是其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。如圖4中所示,存在振鈴過量的情況,您可為輸出電容器添加部分ESR來進(jìn)行抑制。但需要添加多少ESR呢?
圖3:LM1084示意圖—無ESR
圖4:負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)—無ESR
ESR值的計(jì)算
您可以通過方程1測得恰當(dāng)?shù)腅SR的值:
該方程可以計(jì)算出輸出振鈴或振蕩頻率為零時(shí)的最小ESR。負(fù)載瞬態(tài)測試時(shí),輸出振鈴頻率提示0db交點(diǎn)接近該頻率,因此需要稍微提升相位限度來抑制輸出響應(yīng)。在該頻率時(shí)設(shè)置為零即可提升您所需的相位限度。下面我們按照圖3和圖4中的示例進(jìn)行計(jì)算。
圖4中的振蕩頻率約為50kHz,輸出陶瓷電容為22μF。將這些數(shù)字代入方程1中,即可得出ESR的最小值為145mΩ:
將145mΩ的ESR添加到輸出響應(yīng)中,其作用如下。圖5是添加了ESR的示意圖,圖6顯示了負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。雖然振鈴已消除,但會(huì)產(chǎn)生副作用,即有效輸出電容會(huì)隨著ESR的增加而減少,因此電容器的電阻會(huì)越來越大,從而導(dǎo)致原始輸出的跌落更大。
圖5:LM1084示意圖—帶ESR
圖6:負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)—帶ESR
綜上所述,只需添加一個(gè)外部電阻即可抑制線性穩(wěn)壓器造成的輸出振鈴。若該電阻中帶有陶瓷電容,那么就會(huì)非常有用。計(jì)算方法很簡單,測試和驗(yàn)證穩(wěn)定度時(shí)需要用到的設(shè)備很少。
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