选择保障线性稳压器稳定度的ESR

由 judy 提交于周二, 25 七月 2017 - 17:16

输出稳定度对于任何电源设计而言都是一项关键问题。由于线性稳压器简单易用（多数线性稳压器只有三个插脚），所以很容易忘记这一点的重要性。虽然目前具有许多能够确保输出稳定的技术，但最简单且最经济有效的方案是添加或使用输出电容器的等效串联电阻（ESR）。

此处以带5V输出的低压差正可调稳压器LM1084为例。LM1084能够为负载提供的电流为5A，它在可能存在大电流尖峰时能够发挥作用。它还是一种准稳压器，即传输晶体管是一种由PNP晶体管驱动的单NPN晶体管，如图1中所示。因其内部架构所需，准稳压器的输出电容器中一般需要部分ESR来确保稳定度。

图1：准稳压器内部简化示意图

一般来说，钽电容器和电解电容器的ESR足以确保稳定度，但由于设计的空间要求越来越受限，因此尺寸较小的陶瓷电容器成为了理想选择。由于陶瓷电容器几乎不存在任何ESR，因此添加外部串联电阻只是用来模拟其行为。在本文中，我将使用LM1084来演示如何估算输出中的最佳ESR值以及如何在实验室中测试其有效性。

测试稳定度的方法

测试稳定度的传统方法是借助频率响应网络分析仪，将一个小的正弦信号引入反馈环路中并测量增益和相位响应交叉频率。这种方法需要切断反馈环路，因此通常无法对反馈环路内置于集成电路(IC)中的固定输出稳压器进行测试。这种方法设置起来较为繁琐，需要额外的实验室设备，而且预防措施采取不当还可能会造成误差。

简单的方法是进行负载瞬态测试，然后观察输出的振铃。图2是设置实例，能够为5V的稳压器输出提供50mA~1A的负载瞬态。函数发生器向N沟道FET的栅发送矩形波。当N沟道FET被驱动时，总负载电阻的有效值为5Ω。当N沟道FET没有被驱动时，负载电阻为100Ω，刚好可以满足最小负载要求。

图2：负载瞬态测试设置

观察输出振铃

可通过观察负载瞬态的输出振铃来判定稳压器是否稳定。图3是带有陶瓷输出电容器和未添加外部ESR的LM1084的示意图。图4是其负载瞬态响应。如图4中所示，存在振铃过量的情况，您可为输出电容器添加部分ESR来进行抑制。但需要添加多少ESR呢？

图3：LM1084示意图—无ESR

图4：负载瞬态响应—无ESR

ESR值的计算

您可以通过方程1测得恰当的ESR的值：

该方程可以计算出输出振铃或振荡频率为零时的最小ESR。负载瞬态测试时，输出振铃频率提示0db交点接近该频率，因此需要稍微提升相位限度来抑制输出响应。在该频率时设置为零即可提升您所需的相位限度。下面我们按照图3和图4中的示例进行计算。

图4中的振荡频率约为50kHz，输出陶瓷电容为22μF。将这些数字代入方程1中，即可得出ESR的最小值为145mΩ：

将145mΩ的ESR添加到输出响应中，其作用如下。图5是添加了ESR的示意图，图6显示了负载瞬态响应。虽然振铃已消除，但会产生副作用，即有效输出电容会随着ESR的增加而减少，因此电容器的电阻会越来越大，从而导致原始输出的跌落更大。

图5：LM1084示意图—带ESR

图6：负载瞬态响应—带ESR

综上所述，只需添加一个外部电阻即可抑制线性稳压器造成的输出振铃。若该电阻中带有陶瓷电容，那么就会非常有用。计算方法很简单，测试和验证稳定度时需要用到的设备很少。