Регулятор с низким падением напряжения

Линейный регулятор напряжения постоянного тока

Кристалл линейного стабилизатора напряжения с низким падением напряжения (LDO) LM1117.

Плашка регулятора LM2940L

Стабилизатор с низким падением напряжения ( регулятор LDO ) — это линейный стабилизатор напряжения постоянного тока , который может работать, даже когда напряжение питания очень близко к выходному напряжению. ^[1] К преимуществам LDO-стабилизатора перед другими преобразователями напряжения постоянного тока относятся: отсутствие коммутационного шума (в отличие от импульсных стабилизаторов ); меньший размер устройства (так как не нужны ни большие индукторы, ни трансформаторы); и большая простота конструкции (обычно состоит из опорного сигнала, усилителя и проходного элемента). Недостатком является то, что линейные регуляторы постоянного тока для работы должны рассеивать тепло . ^[2]

История

Регулируемый стабилизатор с малым падением напряжения дебютировал 12 апреля 1977 года в статье Electronic Design, озаглавленной « Освобождение от регуляторов с фиксированной интегральной схемой ». Статью написал Роберт Добкин , разработчик микросхем , работавший в то время в National Semiconductor . Из-за этого National Semiconductor претендует на звание « изобретателя LDO ». ^[3] Позже Добкин покинул National Semiconductor в 1981 году и основал компанию Linear Technology , где он был техническим директором. ^[4]

Компоненты

Схема регулятора с низким падением напряжения

Основными компонентами являются силовой полевой транзистор и дифференциальный усилитель (усилитель ошибки). Один вход дифференциального усилителя контролирует часть выходного сигнала, определяемую соотношением резисторов R1 и R2. Второй вход дифференциального усилителя подается от источника стабильного опорного напряжения ( опорного напряжения запрещенной зоны ). Если выходное напряжение становится слишком высоким по сравнению с опорным напряжением, управление силовым полевым транзистором изменяется для поддержания постоянного выходного напряжения.

Регулирование

Регуляторы с низким падением напряжения (LDO) работают аналогично всем линейным стабилизаторам напряжения . Основное различие между регуляторами LDO и регуляторами без LDO заключается в их схематической топологии . Вместо топологии эмиттерного повторителя стабилизаторы с низким падением напряжения состоят из топологии с открытым коллектором или открытым стоком , где транзистор можно легко перевести в состояние насыщения с помощью напряжения, доступного для регулятора. Это позволяет падению напряжения от нерегулируемого напряжения до регулируемого напряжения быть настолько низким, насколько (ограничено) напряжением насыщения на транзисторе. ^{[2] : Приложение А.}

Для схемы, показанной на рисунке справа, выходное напряжение определяется как:

${\displaystyle V_{\text{OUT}}=\left(1+{\frac {R_{1}}{R_{2}}}\right)V_{\text{REF}}}$

Если используется биполярный транзистор , а не полевой транзистор или JFET , значительная дополнительная мощность может быть потеряна для управления им, тогда как регуляторы без LDO берут эту мощность из самого падения напряжения. При высоких напряжениях и очень малой разнице между входом и выходом в цепи управления будут наблюдаться значительные потери мощности. ^[5]

Поскольку элементом управления мощностью является инвертор, для управления им требуется другой инвертирующий усилитель, что увеличивает сложность схемы по сравнению с простым линейным регулятором . ^{[ нужна цитата ]}

Силовые полевые транзисторы могут быть предпочтительнее для снижения энергопотребления, однако это создает проблемы, когда стабилизатор используется для низкого входного напряжения, поскольку для полного закрытия полевым транзисторам обычно требуется от 5 до 10 В. Силовые полевые транзисторы также могут увеличить стоимость.

Эффективность и теплоотдача

Мощность, рассеиваемая в проходном элементе и внутренней схеме ( ) типичного LDO, рассчитывается следующим образом: ${\displaystyle P_{\text{LOSS}}}$

${\displaystyle P_{\text{LOSS}}=\left(V_{\text{IN}}-V_{\text{OUT}}\right)I_{\text{OUT}}+V_{\text{IN}}I_{\text{Q}}}$

где ток покоя, необходимый LDO для его внутренней схемы. ${\displaystyle I_{\text{Q}}}$

Таким образом, эффективность можно рассчитать следующим образом:

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{IN}}-P_{\text{LOSS}}}{P_{\text{IN}}}}}$   где   ${\displaystyle P_{\text{IN}}=V_{\text{IN}}I_{\text{IN}}}$

Однако, когда LDO работает на полную мощность (т.е. подает ток на нагрузку), как правило: . Это позволяет нам свести к следующему: ${\displaystyle I_{\text{OUT}}\gg I_{\text{Q}}}$ ${\displaystyle P_{\text{LOSS}}}$

${\displaystyle P_{\text{LOSS}}=\left(V_{\text{IN}}-V_{\text{OUT}}\right)I_{\text{OUT}}}$

что еще больше сводит уравнение эффективности к:

${\displaystyle \eta ={\frac {V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}}}$

При использовании линейного регулятора с малым падением напряжения важно учитывать температурные соображения. Большой ток и/или большая разница между входным и выходным напряжением могут привести к большой рассеиваемой мощности. Кроме того, эффективность будет страдать по мере увеличения разницы. В зависимости от корпуса , чрезмерное рассеивание мощности может повредить LDO или привести к его отключению из-за перегрева.

Ток покоя

Среди других важных характеристик линейного регулятора — ток покоя , также известный как ток заземления или ток питания, который объясняет разницу, хотя и небольшую, между входным и выходным токами LDO, то есть:

${\displaystyle I_{\text{Q}}=I_{\text{IN}}-I_{\text{OUT}}}$

Ток покоя — это ток, потребляемый LDO для управления его внутренней схемой для правильной работы. Элемент последовательного прохода, топология и температура окружающей среды являются основными факторами, влияющими на ток покоя. ^[6]

Многие приложения не требуют, чтобы LDO постоянно работал на полную мощность (т. е. подавал ток на нагрузку). В этом состоянии ожидания LDO все еще потребляет небольшой ток покоя, чтобы поддерживать внутреннюю схему в готовности в случае появления нагрузки. Когда ток не подается на нагрузку, его можно найти следующим образом: ${\displaystyle P_{\text{LOSS}}}$

${\displaystyle P_{\text{LOSS}}=V_{\text{IN}}I_{Q}}$

Фильтрация

 Стабилизатор напряжения LDO Torex XC6206 3,3 В в корпусе SOT23-3

Помимо регулирования напряжения, LDO также можно использовать в качестве фильтров . Это особенно полезно, когда в системе используются переключатели , которые создают пульсации выходного напряжения, возникающие на частоте переключения. Если оставить эту пульсацию в покое, эта пульсация может отрицательно повлиять на производительность генераторов , ^[7] преобразователей данных , ^[8] и радиочастотных систем ^[9] , питающихся от коммутатора. Однако любой источник питания, а не только коммутаторы, может содержать элементы переменного тока, которые могут быть нежелательны для проектирования.

При использовании LDO в качестве фильтра следует учитывать две характеристики: коэффициент подавления источника питания (PSRR) и выходной шум.

Технические характеристики

LDO характеризуется падением напряжения, током покоя, регулированием нагрузки, регулированием линии, максимальным током (который определяется размером проходного транзистора), скоростью (насколько быстро он может реагировать на изменение нагрузки), изменениями напряжения. на выходе из-за внезапных переходных процессов в токе нагрузки, выходном конденсаторе и его эквивалентном последовательном сопротивлении. ^[10] Скорость определяется временем нарастания тока на выходе, поскольку оно варьируется от тока нагрузки 0 мА (без нагрузки) до максимального тока нагрузки. В основном это определяется полосой пропускания усилителя ошибки. Также ожидается, что LDO обеспечит тихий и стабильный выходной сигнал при любых обстоятельствах (примером возможного возмущения может быть: внезапное изменение входного напряжения или выходного тока). Анализ стабильности ввел в действие некоторые показатели производительности, чтобы добиться такого поведения, и включает правильное размещение полюсов и нулей. В большинстве случаев доминирующий полюс возникает на низких частотах, в то время как другие полюса и нули выдвигаются на высоких частотах.

Коэффициент отклонения источника питания

PSRR относится к способности LDO подавлять пульсации, которые он видит на своем входе. ^[11] В рамках регулирования усилитель ошибки и запрещенная зона подавляют любые скачки входного напряжения, которые отклоняются от внутреннего опорного напряжения, с которым оно сравнивается. ^[12] В идеальном LDO выходное напряжение будет состоять исключительно из частоты постоянного тока. Однако усилитель ошибки ограничен в своей способности улавливать небольшие выбросы на высоких частотах. PSRR выражается следующим образом: ^[11]

${\displaystyle {\text{PSRR}}={\frac {\Delta V_{\text{IN}}^{2}}{\Delta V_{\text{OUT}}^{2}}}=10\log \left({\frac {\Delta V_{\text{IN}}^{2}}{\Delta V_{\text{OUT}}^{2}}}\right)\,{\text{dB}}}$

Например, LDO с PSRR 55 дБ на частоте 1 МГц ослабляет входную пульсацию 1 мВ на этой частоте до уровня всего 1,78 мкВ на выходе. Увеличение PSRR на 6 дБ примерно соответствует увеличению затухания в 2 раза.

Большинство LDO имеют относительно высокий PSRR на более низких частотах (10 Гц – 1 кГц). Однако Performance LDO отличается высоким PSRR в широком диапазоне частот (10 Гц – 5 МГц). Наличие высокого PSRR в широкой полосе позволяет LDO подавлять высокочастотный шум, подобный тому, который возникает из-за коммутатора. Как и другие характеристики, PSRR колеблется в зависимости от частоты, температуры, тока, выходного напряжения и перепада напряжения.

Выходной шум

Шум самого LDO также необходимо учитывать при проектировании фильтра. Как и другие электронные устройства, LDO подвержены влиянию теплового шума , биполярного дробового шума и мерцающего шума . ^[9] Каждое из этих явлений вносит вклад в выходное напряжение, в основном сосредоточенный в нижней части частотного спектра. Чтобы правильно фильтровать частоты переменного тока, LDO должен подавлять пульсации на входе и вносить минимальный шум на выходе. Попытки уменьшить пульсации входного напряжения могут оказаться напрасными, если шумный LDO просто снова добавляет этот шум на выходе.

Регулирование нагрузки

Регулирование нагрузки — это мера способности схемы поддерживать заданное выходное напряжение при изменяющихся условиях нагрузки. Регулирование нагрузки определяется как:

${\displaystyle {\text{Load Regulation}}={\Delta V_{\text{OUT}} \over \Delta I_{\text{OUT}}}}$

Наихудший случай изменения выходного напряжения возникает при переходе тока нагрузки от нуля до максимального номинального значения или наоборот. ^[6]

Регулирование линии

Регулирование линии — это мера способности схемы поддерживать заданное выходное напряжение при изменении входного напряжения. Линейное регулирование определяется как:

${\displaystyle {\text{Line regulation}}={\Delta V_{\text{OUT}} \over \Delta V_{\text{IN}}}}$

Как и регулирование нагрузки, регулирование линии является параметром установившегося состояния — всеми частотными компонентами пренебрегают. Увеличение коэффициента усиления постоянного тока в разомкнутом контуре улучшает регулирование линии. ^[6]

Переходный процесс

Переходный процесс представляет собой максимально допустимое изменение выходного напряжения при ступенчатом изменении тока нагрузки. Переходная характеристика является функцией номинала выходного конденсатора ( ), эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) выходного конденсатора, байпасного конденсатора ( ), который обычно добавляется к выходному конденсатору для улучшения переходной характеристики нагрузки, и максимальной нагрузки. -текущий ( ). Максимальное изменение переходного напряжения определяется следующим образом: ${\textstyle C_{\text{OUT}}}$ ${\textstyle C_{\text{BYP}}}$ ${\textstyle I_{\text{OUT,MAX}}}$

${\displaystyle \Delta V_{\text{TR,MAX}}={\frac {I_{\text{OUT,MAX}}}{C_{\text{OUT}}+C_{\text{BYP}}}}\Delta t_{1}+{\Delta V_{\text{ESR}}}}$^[6]

Где соответствует полосе пропускания замкнутого контура регулятора LDO. — изменение напряжения в результате наличия ESR ( ) выходного конденсатора. Приложение определяет, насколько низким должно быть это значение. ${\textstyle \Delta t_{1}}$ ${\textstyle \Delta V_{\text{ESR}}}$ ${\textstyle R_{\text{ESR}}}$

Эволюция и будущее

Конкурент LDO, IVR ( интегрированный стабилизатор напряжения ), по-видимому, предлагает решения многих проблем с эффективностью и производительностью, с которыми сталкиваются регуляторы LDO. IVR сочетают в себе импульсный стабилизатор напряжения со всеми необходимыми схемами управления в одном устройстве, что приводит к уменьшению размеров в 10 раз и экономии энергии на 10–50%. ^[13]

Смотрите также

• Портал электроники

• Линейный регулятор
• Обнаружение низкого напряжения (иногда путают с регулятором LDO)
• Регулятор напряжения
• Импульсный источник питания
• Список линейных интегральных схем
• LM7805

Рекомендации

1. Пол Горовиц и Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники. Издательство Кембриджского университета. стр. 343–349. ISBN 978-0-521-37095-0.
2. Джим Уильямс (1 марта 1989 г.). «Высокоэффективные линейные регуляторы». Линейная технология . Проверено 29 марта 2014 г.
3. Регуляторы с низким падением напряжения, линейные регуляторы, линейный регулятор КМОП
4. Дон Туите (1 сентября 2007 г.). «Изобретатель обновляет классику 30 лет спустя». Архивировано из оригинала 15 октября 2007 года . Проверено 9 октября 2007 г.
5. Симпсон, Честер. «Основы линейных и импульсных регуляторов напряжения». ti.com . Инструменты Техаса . Проверено 18 июня 2015 г.
6. Ли, Банг С. «Понимание терминов и определений регуляторов напряжения LDO». Инструменты Техаса . Проверено 30 августа 2013 г.
7. Мохаммед, Хабиб. «Влияние шума питания на фазовый шум генератора».
8. Рамус, Ксавьер. «Измерение PSR в АЦП».
9. Питадия, Санджай. «Демистификация шума LDO». Инструменты Техаса.
10. Эффективный по току низковольтный LDO. Диссертация Ринкона-Моры.
11. Питадия, Санджай. «Упрощенное измерение LDO PSRR». Инструменты Техаса.
12. День, Майкл. «Понимание регуляторов с низким падением напряжения (LDO)». Инструменты Техаса.
13. «Что такое IVR?». Empower Semiconductor.

Внешние ссылки

• Понимание регуляторов с низким падением напряжения – основы
• Понимание регуляторов LDO — TI
• Понимание шума и PSRR в LDO — все о схемах
• Понимание шума в LDO — TI
• Указатель замечаний по применению TI LDO — TI