¿Por qué los reguladores de voltaje de caída baja (LDO) son inestables?

Un LDO es un lazo de control. Y como todos los lazos de control, siempre hay lugar para la inestabilidad.

Entonces, ¿cómo se hace estable un lazo de control?

1. Proporciona suficiente margen de fase (diferencia de fase desde que la ganancia cruza el eje de 0 dB y 180.
2. La pendiente de la trama de bucle abierto debe ser de -20db/dec al cruzar el eje de 0dB
3. Proporcionar suficiente margen de ganancia

Si observamos una respuesta típica de bucle abierto de un LDO, puede verse así

Hay una serie de polos.

1. Polo de amplificador de error: un polo debido al amplificador
2. Polo de carga - polo debido al condensador de salida y la carga
3. Polo parásito: generalmente dentro del elemento de paso (no se muestra en esta imagen).

También hay un cero en esta imagen.

1. ESR Zero: un cero debido al condensador de salida

Si observa el punto 2 de un ciclo estable, dice que la pendiente debe ser -20db/dec.

Bueno, ¿y si... el cero nunca estuvo ahí? Eso significa que la pendiente cuando llega a 0db es de -40db (debido a los dos polos anteriores). Inestabilidad.

Agregar un cero antes del eje 0db hace que el sistema sea estable.

La forma más fácil de agregar un cero al sistema es a través de la ESR del capacitor. De todos modos, necesita un condensador, por lo que está matando dos pájaros de un tiro aquí.

El ESR importa, porque controla la colocación del cero. Debe ser lo suficientemente bajo como para que pueda obtener los -20db/dec cuando cruce el eje de 0db, pero lo suficientemente bajo como para que la ganancia esté por debajo de 0dB antes del siguiente polo (generalmente debido a los parásitos).

" Los reguladores más antiguos de caída alta con transistores tipo N no parecían tener este problema. "

La respuesta es la siguiente: el transistor de tipo npn utilizado como elemento de control funciona en una configuración de colector común (el potencial del colector debe ser mayor que el del emisor). Por el contrario, como se muestra en la figura (proporcionada por efox29), el tipo pnp tiene una resistencia de colector (el divisor de voltaje) y funciona como un amplificador de emisor común inversor con ganancia. Por lo tanto, la no inv. La entrada opamp está conectada a la cadena divisoria (para una ganancia de bucle negativa total).

Eso significa: el transistor npn con una resistencia de emisor funciona como un seguidor de emisor con una ganancia no inversora menor que la unidad (y se debe usar el terminal de entrada opamp inversor). En cuanto a la estabilidad, es importante darse cuenta de que, por lo tanto, la ganancia total del bucle es mucho menor si se compara con el caso pnp. Como consecuencia, los problemas de estabilidad se reducen (o incluso desaparecen). Sin embargo, como desventaja, la ganancia de bucle más pequeña reduce las propiedades reguladoras de todo el LDO.