越十年生聚,而十年教训,二十年之外,吴其为沼乎! - 《左传》
吴王夫差打败却赦免越王勾践,纵虎归山。伍子胥甚为悲愤,他认为吴越乃世仇,是腹心之疾,须铲草除根。勾践是亲而务施、能屈能伸的枭雄,一旦获得喘息之机,必成后患。可夫差不仅不听,反而听信谗言赐死伍子胥。伍子胥死前留遗言要当监控摄像头,要家人将其双眼挖出置于吴国东门,以观越军之入灭吴。
勾践经过二十年的隐忍与积蓄,最终攻灭吴都姑苏,逼迫夫差自杀,吴宫由此荒废,应验了伍子胥“吴其为沼”的预言。
在LDO电路上,有一种称为前馈电容的设计,该电容就像伍子胥一样可以洞察先机,提前预判负载的骚操作,由此改善负载瞬态响应,是谓履霜,则坚冰至!
背景
负载瞬态响应是衡量LDO动态性能的一个核心指标,当前负载模块越做越牛逼,愈来愈喜欢动态、大跨度抽载,比如CPU、FPGA、射频模块等等。
负载瞬态响应描述了当负载电流发生快速阶跃变化时,LDO的输出电压随之变化的动态过程。理想的LDO应始终保持输出电压恒定。但现实中,电流的突变会导致输出电压产生波动(过冲和下冲),过大的波动容易导致负载芯片复位或工作异常。
而对于FB(feedback,也称ADJ)脚外露的LDO,如果我们在上分压电阻并联一个电容(CFB),形成前馈(Forward Feed),便能改善负载瞬态响应。即当输出电压发生快速、剧烈的变化时,ΔVout能绕过常规通道,第一时间将紧急情况上报给误差放大器,从而触发快速反应。

原理
如下图,当在电阻R1两端并联一个电容(CFB)后,由于CFB的作用,R1在高频下相当于被短路,因此LDO输出电压波动ΔVout会无损地传递到其Feedback引脚(V_ADJ)。
这样一来,LDO内部的误差放大器会收到一个电压更高的误差信号,促使调整管提供更大的输出电流。结果就是,LDO对负载的响应更快,从而进一步抑制输出电压的波动。

波形实测
如下图,为东芝某款LDO,没加CFB和加了CFB(10nF)的波形对比。可见通过添加CFB,能显著减少因负载电流突变引起的输出电压波动。

其他
铃木雅臣《晶体管电路设计》曾介绍过加速电容的概念,它和LDO前馈电容本质上相同,都是利用电容两端电压不能突变的特性。
如下图,在电阻R1两端并联一个电容C1,当Vin端给一个阶跃时,由于C1两端的电压不能突变,可将电阻R1短路,由此可以迅速驱动Q1管,Vout电压随之迅速变化。

下图列出了没有加速电容和有加速电容的波形对比,可见加速作用的显化。

总结
电容这个器件,电流超前于电压,i = C * dU/dt。
这个超前效果如果用在控制领域,便有些未卜先知的味道。它能立刻洞悉信号的变化趋势,当误差刚刚开始有增大的苗头时,这个微分项就有预见性,就产生一个正向的控制去抑制它,产生超前的调节效果。
当然,我们也可以从环路带宽的角度去看待这个现象:前馈电容在误差放大器的反馈路径上引入一个零点,抵消环路中的低频极点,从而扩展环路的带宽、提高相位裕度,最终实现更快的瞬态响应。但这不如电容“微分先行”的角度直观。