瞬態事件如何影響LDO動態性能?

作者 : Pavel Vlcek,onsemi應用工程師

當LDO的輸出出現欠衝現象時,其內部會發生什麼?瞬態事件如何影響LDO的動態性能?

有兩種瞬態響應。首先,負載瞬態響應是當低壓降穩壓器(LDO)提供的負載電流發生變化時,在LDO輸出端出現過衝或欠衝。第二,線路瞬態響應是當連接的電壓在LDO輸入端發生變化時,在LDO輸出端發生過衝或欠衝,具有不同的波形。

Internal Structure of LDO with Undershoot at the Output

圖1:LDO輸出端發生欠衝時的內部構造。

讓我們看看當LDO的輸出出現欠衝現象時,其內部會發生什麼。1顯示LDO的內部結構,輸出電壓為1V時,瞬態響應欠衝電壓為0.02V,導致輸出電壓下降到0.98V。當參考電壓穩定到1V時,那麼誤差放大器的輸入端之間有0.02V的電壓差。放大器將該電壓放大,所以誤差放大器的輸出電壓VAMP下降,這意味著PMOS傳遞元件的VGS增加,PMOS傳遞元件開始導通更多的通道,給輸出電容充電。所以,LDO的輸出電壓開始回升到1V。

Internal Structure of LDO with Overshoot at the Output

圖2:LDO輸出端發生過衝時的內部構造。

LDO輸出端過衝的情況(圖2)與欠衝的情況相反。過衝電壓為0.02V,那麼輸出電壓是1.02V,誤差放大器的輸入端之間有一個-0.02V的電壓差。誤差放大器再次放大這個電壓,誤差放大器的輸出電壓VAMP增加,而PMOS傳遞元件的電壓VGS減少,這意味著PMOS傳遞元件開始關閉其通道。但正因為如此,一個傳遞元件可以給輸出電容充電,以防輸出電容放電時,過衝輸出電壓恢復到1V。

Figure 3. Action Inside LDO during Undershoot and Overshoot

圖3:在欠衝和過衝期間LDO內部的活動。

您可以在3中看到欠衝和過衝期間LDO內部的負載瞬態響應和該狀態下的動作:欠衝期間更多的傳遞元件被打開,而過衝期間關閉。這種反饋動作對於負載瞬態響應和線性瞬態響應是相同的,它取決於導致欠衝或過衝的原因。過衝的幅度和穩定時間取決於內部反饋對瞬態事件的反應速度–輸入電壓或負載電流的任何變化。

Load Transient Response of NCP110

圖4:NCP110的負載瞬態響應。

圖4展示NCP110的實測負載瞬態響應:在負載變化到較高的電流水準時,輸出電壓下降。一段時間後,內部反饋對過衝作出反應,導通PMOS傳遞元件。當負載變化到一個非常低的電流水準時,例如1毫安培,內部反饋響應是關閉PMOS傳遞元件:導致過衝,輸出電容放電。

Line Transient Response of NCP110

圖5:NCP110線性瞬態響應。

圖5展示線性瞬態響應。但欠衝和過衝具有相同的波形,這是由於實際上負載電流沒有變化造成的。因此,輸出電容沒有擴展放電。就像負載瞬態響應一樣,PMOS傳遞元件也會相應地以導通和關閉做出響應。

您可以將類似的原則應用於含NMOS傳遞元件的LDO。含PMOS傳遞元件的LDO有一個針對輸入電壓VIN的閘源電壓VGS,而含NMOS傳遞元件的LDO有一個針對輸出電壓VOUT的閘源電壓VGS。因此,當需要導通更多的NMOS傳遞元件時,誤差放大器的輸出電壓VAMP增加。當需要關閉NMOS傳遞元件時,誤差放大器的輸出電壓VAMP下降;這與含PMOS傳遞元件的LDO恰好相反。

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