LDO稳压器内部频率补偿电路及满足系统稳定性要求的应用设计-德赢Vwin官网网

作者：刘鸿雁;来新泉;黄涛涛

LDO稳压器的调整元件通常采用PNP管或PMOS管，通过共射或共源的结构输出，因此，LDO稳压器的输出阻抗比较高，受负载的影响较大，容易造成系统的不稳定。通常利用输出电容的等效串联电阻进行频率补偿，以改善其稳定性。这种方法对输出电容有很高的要求，特别是ESR，若处理不党会提高电源管理方案的成本。本文提出了将频率补偿电路设计到稳压器内部的方法，降低了对输出电容的要求，并且补偿的零点跟随负载电流变化，降低了负载电流变化对系统稳定性的影响。

LDO稳压器的频率补偿原理

影响LDO系统稳定性的主要因素有：误差放大器、调整管、反馈电阻网络、输出电容及其等效串联电阻和旁路电容等。

LDO稳压器的典型频率响应如图1所示。其中UGF代表单位增益频率（Unity gain frequency）。虚线代表ESR的稳定范围。

零点ZESR和极点Pb由RESR决定，当RESR改变时，ZESR和Pb也上下移动，使得环路稳定性受到影响。因此，为了保证系统的稳定，必须选择合适的RESR。LDO稳压器的应用资料一般会提供保证系统稳定所需RESR值的范围。通常钽电容的ESR值较为合适，并且比较准确，但其价格比较昂贵，这无疑增加了设计成本。

同时，采用输出电容的等效串联阻抗进行频率补偿的另一个缺点是，ESR对LDO稳压器的瞬态响应的影响。在最坏情况下，当负载电流瞬态从零变化到最大值时，输出电压最大的瞬态变化量为：

其中，苩1是LDO需要的响应时间，如果忽略压摆率的影响，苩1约等于闭环带宽的倒数。芕ESR是ESR上的电压变化量。由等式可看出，ESR越大，对瞬态响应特性影响越大。

针对LDO稳压器利用ESR进行频率补偿存在的不足，本文提出的内部动态频率补偿电路对此进行了改进。

内部动态频率补偿电路的设计

采用内部动态频率补偿电路的LDO稳压器系统如图2所示。电路内部添加了一个RC补偿网络，并采用了两级放大结构。第一级放大器采用跨导运放实现，第二级放大器采用输出阻抗较小的放大结构。

从图2中可得出其主要的零极点如下：

从第一个极点Po的表达式可得出，该极点与负载电流成正比，如果内部RC网络产生的零点频率固定不变，则单位增益带宽随着负载电流变化，同时可能会引起振荡，达不到补偿的效果。

针对以上问题，电路中可引入可变电阻构成的动态RC频率补偿网络，该电阻用工作在线性区的MOS管导通电阻来实现。通过在调整管处并联一个电流检测管，使其检测输出电流，以控制RC补偿网络可变电阻R的阻值，使零点Zc也随负载电流变化。当负载电流减小时，零点频率也减小；负载电流变大时，零点频率也变大。此时，零点Zc和极点Po同时随负载电流增大或减小，保证了稳定性和环路增益带宽不变。

频率补偿RC网络的具体电路如图3所示。可变电阻是M8的导通电阻，RC网络主要是由M1、M2、M4、M6、M7、M8、Cc构成的，其中M1是电流检测管，调整管M0用宽长比很大的PMOS管实现。

由M3、M5、R3构成的偏置电路，可以保证M0和M1的漏/源极电压基本相等，使电流ID1以恒定的系数正比于电流IL变化，ID1通过M4和M6构成的镜像电流源决定M7的电流。则：

由于第一级运放的输出阻抗较大，第二级放大器的输入阻抗也较大，并且M8没有电流流过，因此，M9的电流非常小，可以近似地认为。所以，

此时，M8的导通电阻为：