Регулятор с малым падением напряжения

Линейный регулятор постоянного напряжения

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

Матрица регулятора LM2940L

Регулятор с малым падением напряжения ( LDO-регулятор ) — это тип схемы линейного стабилизатора постоянного напряжения , который может работать даже тогда, когда напряжение питания очень близко к выходному напряжению. ^[1] Преимущества LDO-регулятора перед другими стабилизаторами напряжения DC-DC включают: отсутствие шума переключения (в отличие от импульсных стабилизаторов ); меньший размер устройства (так как не требуются ни большие индукторы, ни трансформаторы); и большая простота конструкции (обычно состоит из опорного напряжения, усилителя и проходного элемента). Недостатком является то, что линейные стабилизаторы постоянного тока должны рассеивать тепло для работы. ^[2]

История

Регулируемый стабилизатор с малым падением напряжения дебютировал 12 апреля 1977 года в статье журнала Electronic Design под названием « Вырваться из рамок фиксированных регуляторов ИС ». Статья была написана Робертом Добкиным , проектировщиком ИС , работавшим тогда в National Semiconductor . Из-за этого National Semiconductor претендует на звание « изобретателя LDO ». ^[3] Позднее Добкин покинул National Semiconductor в 1981 году и основал Linear Technology , где он был главным технологом. ^[4]

Компоненты

Схема регулятора с малым падением напряжения

Основными компонентами являются мощный 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 поступает от стабильного опорного напряжения ( опорного напряжения запрещенной зоны ). Если выходное напряжение становится слишком высоким относительно опорного напряжения, привод мощного полевого транзистора изменяется для поддержания постоянного выходного напряжения.

Регулирование

Регуляторы с малым падением напряжения (LDO) работают аналогично всем линейным регуляторам напряжения . Основное различие между регуляторами LDO и не-LDO заключается в их схемной топологии . Вместо топологии эмиттерного повторителя регуляторы с малым падением напряжения состоят из топологии открытого коллектора или открытого стока , где транзистор может быть легко доведен до насыщения с помощью напряжений, доступных регулятору. Это позволяет падению напряжения от нерегулируемого напряжения до регулируемого напряжения быть таким же низким (ограниченным) как напряжение насыщения на транзисторе. ^{[2] : Приложение A}

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 его управления, тогда как не-LDO регуляторы берут эту мощность из самого падения напряжения. Для высоких напряжений при очень низкой разнице In-Out будут значительные потери мощности в цепи управления. ^[5]

Поскольку элементом управления питанием является инвертор, для его управления требуется еще один инвертирующий усилитель, что увеличивает сложность схемы по сравнению с простым линейным регулятором . ^{[ необходима ссылка ]}

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

Эффективность и рассеивание тепла

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 цепи. ${\displaystyle I_{\text{Q}}}$

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 находится в полном рабочем состоянии (т.е. подает ток в 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 следующему:

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

При использовании линейного стабилизатора с малым падением напряжения важно учитывать тепловые факторы. Высокий ток и/или большой перепад между входным и выходным напряжением могут привести к большому рассеиванию мощности. Кроме того, эффективность будет страдать по мере увеличения перепада. 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, а именно:

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

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

Во многих приложениях не требуется, чтобы LDO работал на полную мощность все время (т. е. подавал ток на нагрузку). В этом состоянии простоя LDO все еще потребляет небольшое количество тока покоя, чтобы поддерживать внутреннюю схему в состоянии готовности в случае подачи нагрузки. Когда ток на нагрузку не подается, можно найти следующее: ${\displaystyle P_{\text{LOSS}}}$

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

Фильтрация

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

Помимо регулирования напряжения, LDO также могут использоваться в качестве фильтров . Это особенно полезно, когда система использует коммутаторы , которые вносят пульсацию в выходное напряжение, возникающую на частоте переключения. Если оставить эту пульсацию в покое, она может отрицательно повлиять на работу генераторов , ^[7] преобразователей данных , ^[8] и радиочастотных систем ^[9], питаемых коммутатором. Однако любой источник питания, а не только коммутаторы, может содержать элементы переменного тока, которые могут быть нежелательны для конструкции.

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

Технические характеристики

LDO характеризуется своим падением напряжения, током покоя, регулировкой нагрузки, линейной регулировкой, максимальным током (который определяется размером проходного транзистора), скоростью (насколько быстро он может реагировать при изменении нагрузки), изменениями напряжения на выходе из-за внезапных переходных процессов в токе нагрузки, выходным конденсатором и его эквивалентным последовательным сопротивлением. ^[10] Скорость указывается временем нарастания тока на выходе, поскольку он изменяется от тока нагрузки 0 мА (без нагрузки) до максимального тока нагрузки. Это в основном определяется полосой пропускания усилителя ошибки. Также ожидается, что LDO будет обеспечивать тихий и стабильный выход при любых обстоятельствах (примером возможного возмущения может быть: внезапное изменение входного напряжения или выходного тока). Анализ устойчивости вводит некоторые метрики производительности для получения такого поведения и включает размещение полюсов и нулей соответствующим образом. Большую часть времени есть доминирующий полюс, который возникает на низких частотах, в то время как другие полюса и нули выталкиваются на высоких частотах.

Коэффициент подавления электропитания

PSRR относится к способности LDO подавлять пульсации, которые он видит на своем входе. ^[11] В рамках его регулирования усилитель ошибки и запрещенная зона ослабляют любые всплески входного напряжения, которые отклоняются от внутреннего опорного значения, с которым он сравнивается. ^[12] В идеальном LDO выходное напряжение будет состоять исключительно из частоты постоянного тока. Однако усилитель ошибки ограничен в своей способности усиливать небольшие всплески 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 всего лишь 1,78 мкВ на выходе. Увеличение PSRR на 6 дБ примерно соответствует увеличению ослабления в 2 раза.

Большинство LDO имеют относительно высокий PSRR на низких частотах (10 Гц – 1 кГц). Однако производительный LDO отличается высоким PSRR в широком спектре частот (10 Гц – 5 МГц). Высокий PSRR в широкой полосе позволяет LDO подавлять высокочастотный шум, например, возникающий от коммутатора. Подобно другим спецификациям, PSRR колеблется в зависимости от частоты, температуры, тока, выходного напряжения и перепада напряжения.

Выходной шум

Шум от самого LDO также должен учитываться при проектировании фильтра. Как и другие электронные устройства, LDO подвержены влиянию теплового шума , биполярного дробового шума и мерцательного шума . ^[9] Каждое из этих явлений вносит шум в выходное напряжение, в основном сосредоточенный на нижнем конце частотного спектра. Для того чтобы правильно фильтровать частоты переменного тока, LDO должен как подавлять пульсации на входе, так и вносить минимальный шум на выходе. Усилия по ослаблению пульсаций от входного напряжения могут оказаться напрасными, если шумный LDO просто добавит этот шум обратно на выходе.

Регулировка нагрузки

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

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

Худший случай изменения выходного напряжения происходит, когда ток нагрузки переходит от нуля до своего максимального номинального значения или наоборот. ^[6]

Регулирование линии

Стабилизация линии — это мера способности схемы поддерживать заданное выходное напряжение при изменяющемся входном напряжении. Стабилизация линии определяется как:

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

Как и регулирование нагрузки, регулирование линии является параметром устойчивого состояния — все частотные компоненты игнорируются. Увеличение усиления постоянного тока в разомкнутом контуре улучшает регулирование линии. ^[6]

Переходный ответ

Переходная характеристика — это максимально допустимое изменение выходного напряжения для ступенчатого изменения тока нагрузки. Переходная характеристика является функцией выходного конденсатора ( ), эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) выходного конденсатора, шунтирующего конденсатора ( ), который обычно добавляется к выходному конденсатору для улучшения переходной характеристики нагрузки, и максимального тока нагрузки ( ). 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. - это изменение напряжения, вызванное наличием 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 регулятор напряжения ), по-видимому, предлагает решения многих проблем с эффективностью и производительностью, от которых страдают регуляторы LDO. IVR объединяют импульсный регулятор напряжения со всеми необходимыми схемами управления в одном устройстве, что приводит к 10-кратному уменьшению размера и экономии энергии на 10–50%. ^[13]

Смотрите также

• Портал электроники

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

Ссылки

1. Пол Горовиц и Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники. Cambridge University Press. С. 343–349. ISBN 978-0-521-37095-0.
2. Джим Уильямс (1 марта 1989 г.). "Высокоэффективные линейные регуляторы". Линейная технология . Получено 29.03.2014 .
3. Регуляторы с малым падением напряжения, линейные регуляторы, линейный регулятор КМОП
4. Дон Туит (1 сентября 2007 г.). «Inventor Updates A Classic 30 Years Later». Архивировано из оригинала 15 октября 2007 г. Получено 9 октября 2007 г.
5. Симпсон, Честер. «Основы линейных и импульсных регуляторов напряжения». ti.com . Texas Instruments . Получено 18 июня 2015 г.
6. Ли, Банг С. «Понимание терминов и определений регуляторов напряжения LDO». Texas Instruments . Получено 30 августа 2013 г.
7. Мохаммед, Хабиб. «Влияние шума источника питания на фазовый шум генератора».
8. Рамус, Ксавье. «Измерение PSR в АЦП».
9. Pithadia, Sanjay. «LDO Noise Demystified». Texas Instruments.
10. Тезис по теме «Текущая эффективность, низковольтный LDO A» Ринкона-Моры
11. Pithadia, Sanjay. «Упрощенное измерение LDO PSRR». Texas Instruments.
12. Дэй, Майкл. «Понимание регуляторов с малым падением напряжения (LDO)». Texas Instruments.
13. "Что такое IVR?". Empower Semiconductor.

Внешние ссылки

• Понимание регуляторов с малым 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