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LDO 附屬調整電路

第三章 數位控制設計與類比調整電路

3.3 LDO 附屬調整電路

在附屬電路 LDO 的架構之中,必須對 LDO 更多瞭解,包含:低壓 降(Dropout Voltage),靜態電流或接地電流(Quiescent Current or Ground

K=7

Current) ,線性穩壓(Line Regulation) ,負載穩壓(Load Regulator) ,電 源拒斥比(Power Supply Rejection Ratio) ,輸出雜訊(Output Noise) , 精 確度(Accuracy) ,分別敘述如以下小節去分析電路中個別的需求特性。

3.3.1 壓降電壓

壓降電壓(Dropout Voltage)是 LDO 輸入電壓降到某個程度時,其輸 出電壓將不再穩壓在預計的輸出電壓,而在臨界點(輸出偏移 2%)時的輸 入電壓與輸出電壓誤差值,如圖 28 所示,當輸入電壓 Vin大於Vy時,LDO 的傳輸電晶體(Pass Transistor)是工作在飽和區,因此,整個 LDO 的 Loop Gain 維持在很高,使得 LDO 處於穩壓區(Regulation Region)。當輸入電 壓 Vin小於Vy時, LDO 的傳輸電晶體(Pass Transistor)是工作在線性區,

整個LDO 的 Loop Gain 變的很低,使得 LDO 線性穩壓器的輸出電壓不在 穩定在固定數值,此時 LDO 穩壓進入 Dropout Region,而此時傳輸電晶 體(Pass Transistor)當成一個電阻,壓降電壓(Dropout Voltage)被定義成 [19]:

drop out load on

V = I ×R (3-14)

Ron是傳輸電晶體(Pass Transistor)的導通電阻, ILoad 是負載電流

,由於 LDO 線性穩壓器的功率損耗是正比於電壓差(Dropout Voltage),

所以愈小的電壓差(Dropout Voltage)將有較小的功率損耗在傳輸電晶體 (Pass Transistor)上,功率效率比較高[16]。

C u t - O f f

靜態電流或接地電流(Quiescent Current or Ground Current)是當 LDO 穩壓的輸入電流減去輸出電流 Iq=Ii-Io,靜態電流包含有系統的偏壓電流

3.3.3 線性穩壓

線性穩壓(Line Regulation) [21]是用來量測輸入電壓變動時,輸出電 壓能夠保持固定的穩定度,定義如下: 回授電壓去驅動傳輸電晶體(Pass Transistor)來抑制輸出電壓的變動。線性 穩壓(Line Regulation)的分析如下:

L

是 Error Amplifier 的增益, gmp是傳輸電晶體(Pass Transistor)的轉導[22]。

由(3-18)式可知,增加 Error Amplifier 的增益或傳輸電晶體(Pass Transistor)的轉導可以改善線性穩壓(Line Regulation)。線性穩壓(Line Regulation)屬穩態(Steady-State),在只考慮輸入電壓的直流變動情形。事 實上,參考電壓及Error Amplifier 的 Offset Voltage 也會受到輸入電壓的影 響,必須列入考量。

Load Regulation= ∆V

∆I

根據圖30,當負載電流變動時,LDO 穩壓的輸出電壓及回授電壓也會 跟著變動,經由 Error Amplifier 偵測到回授電壓的變動進而驅動傳輸電晶 體(Pass Transistor)去抑制輸出電壓的變動。負載穩壓(Load Regulation)的 分析如下:

上面分析可知,由增加 Error Amplifier 的增益或傳輸電晶體(Pass (3-19)

(3-21)

(3-22) (3-20)

Transistor)的轉導可以改善負載穩壓(Load Regulation) [23]。

3.3.5 電源拒斥比

電源拒斥比(Power Supply Rejection Ratio)是量測輸入電壓變化,輸出 電壓能夠抑制變化的能力, 定義如下[23] :

跟線性穩壓(Line Regulation)不同的是電源拒斥比(Power Supply Rejection Ratio)與 LDO 線性穩壓閉迴路的頻率相關,屬於高頻規格。例 如:如果 LDO 線性穩壓是應用於直流/直流切換轉換器(DC/DC switching Converter) ,後端穩壓(Post Regulation) ,則在切換頻率 100kHz 到 1MHz 的頻寬較重要,如圖31, 100kHz 到 1MHz 的頻寬,PSRR 最差。

PSRR 與等效串聯電阻(ESR)及迴路增益頻寬(Loop-gain Bandwidth) 非常相關。比較大的迴路增益頻寬(Loop-gain Bandwidth),使用低阻值的 等效串聯電阻(ESR) ,一個較大的輸出電容,及額外旁路電容(Bypass Capacitor),都可以改善 LDO 線性穩壓的 PSRR 值。

因此,參考電壓會受到輸入電源的漣波影響,所以在設計參考電壓時 必須考慮PSRR 值問題。

3.4.6 精確度

LDO 精確度(Accuracy)是所有可能造成輸出電壓變動的因素。這些因 素包括有限的線性穩壓(Line Regulation)、負載穩壓(Load Regulation)、

參考電壓的漂移、誤差放大器的漂移、回授電阻的誤差、及電阻的溫度係

(Load Regulation)的漂移,∆Vo,ref是參考電壓的漂移, ∆Vo,EA是誤差放大 器的漂移,∆Vo,res 是回授電阻的誤差,∆VTC 是溫度係數變化。一般正常 的精確度(Accuracy)誤差在 1~3%內。

另 一 種 精 確 度 的 定 義 是 將 造 成 誤 差 的 因 素 分 成 兩 類 : 系 統 誤 差 (System Error)∆Vo(SYS)及隨機誤差(Random Error) ∆Vo(RAN)。表示如下 [20]:

(

2

)

( ) ( )

1 0 0 %

o S Y S o R A N

o

V V

A c c u r a c y

V

+

=

∑ ∑

×

系統誤差(System Error)∆Vo(SYS)是由於設計造成的輸出電壓變動包含 線性穩壓(Line Regulation),負載穩壓(Load Regulation),溫度係數變化,

有限增益誤差及參考電壓誤差。隨機誤差(Random Error) ∆Vo(RAN) 是由 於製程的漂移及實體佈局的誤差。

(3-27)

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