本帖最后由 kk的回忆 于 2023-9-5 21:13 编辑
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@21小跑堂
LDO(线性稳压器)作为电子工程师都用过，比如LM7805，原理图很简单，输入滤波电容，输出滤波电容，没有多余的器件。但是为什么这个3pin器件，可以实现降压原理，一直没有深入的去理解。作为电子爱好者，有一个追根究底的习惯，想一探究竟的。 LDO外观看起来简单，内部还是大有乾坤的，通过误差放大器EA，将输出电压采集后，和基准电压比较，控制功率三极管的开启。同时还有补偿电路，用于瞬态负载的系统稳定。 了解了LDO的内部电路后，就考虑用分立件搭建一个电路，来更加深入的理解每个器件的功能，正好嘉立创也有免费打板的优惠，能“薅羊毛”。就行动起来，画好原理图和PCB。也正好学习嘉立创EDA软件的用法，和AD软件用起来差不多，但是嘉立创EDA和立创商城联动了，选器件的时候顺便把BOM也做完了。看来确实要多支持国产的！下面是设计的一个输入10V，降压到5V，输出最大电流0.1A；原理图中的参数是前期先放的，拿到板子后，根据测试结果再调整。 在等待打板的过程中，也对电路的补偿参数和环路稳定性做了一些分析。对于这个分立件的LDO电路，由于存在电容性的负载CL，也就是C4-C6，这些负载电容和其等效看到的阻抗Z1，就组成了一个极点Pole=1/(s*CL*Z1)，再加上运放LM358的自身低频主极点，在穿越频率之前，很可能就有双极点，造成开环环路没有相位余量，而系统不稳定的。 关于负载电容产生的极点过程，可以先简化为下图理解的，通过Tina的仿真仿真，在相位图上，可以清晰的看到有三个极点，最后相位余量只有0.8度，肯定是系统不稳定的。 有了这个简单的实例后，再来看LDO的电路实际也是一样的，仅仅是负载电容等效阻抗Z1不一样，这个Z1实际是原理图Q1发射极看进去的阻抗， 也就是Z1=Rout_OPA + R1 + Rb_Q1)/belta + 26mV/Ic, 其中Ic是三极管的静态工作点下的集电极电路，Rb_Q1是三极管Q1内部的基极电阻。 随后使用分立件搭建的原理图进行仿真，得到一样的结果，这时候电路没有相位余量，是不稳定的。 随后使用各个器件的spice模型后，用ADI的LTspice仿真，使用瞬态负载变化，来观察，输出电压是否稳定。在仿真情况下，可以看到，负载电流是10mA到100mA变化，输出电压剧烈震荡，完全不能保持稳定输出。通过结果可以看出，频域仿真在没有相位余量的前提下，时域输出电压并不能保持稳定。 这个时候，电路板也打好了，不得不夸一下嘉立创，打板不仅免费，快递还免费，关键速度还是快。 拿到板子后，立马加鞭的焊接三块，按照设计参数焊接后，通电正常，输出5V电压都正常； 随后在没有补偿电容C7和R9的时候，负载电流从10mA到100mA变化的时候，可以看到输出电压不能保持稳定。输出电压在异常的抖动变化，这个和仿真的数据基本也能匹配的。尽管仿真不能完全代替实际电路，但仿真可以指导改进的方向。 现在知道了环路需要补偿，就要理解如何补偿的。由于是负载电容增加了极点，那么就要增加零点来抵消极点的影响。通过增加补偿电容和电阻，增点一对零极点对，在穿越频率处提高相位。通过仿真可以看出，增加一个10K电阻和一个10nF电容，可以将相位余量从之前的-5dB提升到59dB，这个值是一个很稳定的相位余量。 进一步通过时域的波形，来查看输出电压是否稳定。其加过不言而喻，在瞬态负载跳变的时候，输出电压的过冲和欠冲，都只有60mV左右，小于输出电压5*3%的变化范围，是一个不错的结果。 这个补偿参数是仿真的结果，实际电路，是否也和仿真一样良好。将补偿参数添加到电路板后。在1s每格的测量条件下，交流模式，最高和最低电压变化量是120mV，而在20ms的测量条件下，最高和最低电压变化量仅仅只有90mV。基本和仿真和接近的。
至于补偿环路的参数怎么设置，就需要根据穿越频率的设计的位置，负载电容极点的位置，来综合确定，不过下面式子是反馈环路1/Beta的表达式，对应的就是零点和极点。实在不好算的话，那就拿仿真模式试，差不多也能得到结果的。 通过一次DIY的过程，基本理解了LDO内部的工作原理。实际好的LDO还有很多考量，比如基准源电压稳定性，输入欠压保护，输出过流保护等等。我做的这个电路，没有基准源，输入电压变化，输出电压就变化，所以这个电路的实用性很差，基本不能使用。输出过流保护做了，只要输出电流Iout*R5大于VBE，那么Q2就会导通，输出电压就会降低，直到输出电流满足小于VBE/R5，此时输出电压也变为稳定，但是R5取值过大，就会造成输出电压不够精准，随着负载电流的变化而波动，这些在LDO芯片内部都会有补偿策略的。 在芯片集成度越来越高，直接参考datasheet固然可以得到应用电路，但是没有完全理解深入，像这种LDO芯片，功率三极管用N管还是P管，都是有讲究的，真的要展开理解，内容还是比较多的，了解的深入一些，在应用的时候，出现了问题，分析起来才从容的。
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楼主
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你好博主，看到了你的分立元件LDO的帖子，有个问题想请教一下，帖子中做了两个电路仿真：同向比例放大电路和分立LDO电路，请问为啥放大电路那里的运放正输入端要直接接地啊。分立LDO电路貌似没有直接接地，请问这个是否接地是有什么考量吗
楼主水平可以的，精通环路补偿知识
总体完成度较好，对关键技术点都提出了自己的看法，并通过实践获取实验结果，虽然可能有些错误，但是引出大家的学术探讨，这也是论坛的作用。
学习了解一下，楼主非常专业。