Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2017_257_21
Čeprav se načrtovalci zavedajo učinkovitosti stikalnih pretvornikov DC/DC, so linearni regulatorji v veliko aplikacijah še vedno najboljša izbira. Če načrtovalci vedo, zakaj je določen tip vezja najprimernejši, se lahko v posameznih primerih pravilno odločijo in svojo izbiro pravilno izvedejo.
Ta članek vključuje primerjavo med linearnimi in stikalnimi regulatorji ter razloge, zakaj je treba poleg učinkovitosti upoštevati tudi druge dejavnike, kot so preprostost, nizki stroški in stabilnost.
Stikalni regulatorji: učinkoviti, vendar zapleteni
Stikalni regulatorji so izjemno učinkoviti in omogočajo preprosto transformacijo napetosti navzgor (boost) in navzdol (buck) ter pretvorbo napetosti. Sodobna modularna vezja so kompaktna, zanesljiva in na voljo pri več dobaviteljih. Vseeno imajo stikalni regulatorji kljub veliko prednostim tudi nekaj pomanjkljivosti (tabela 1).
Prvič, gre za zapletena vezja, zato je morda treba za pravilno delovanje novega izdelka pri načrtovanju vložiti več napora. Drugič, stopnja integracije sodobnih stikalnih regulatorjev je lahko draga, poleg tega se lahko poveča obseg vezja. Nenazadnje lahko celotno visokofrekvenčno preklapljanje povzroča šume.
Pri zasnovah, pri katerih se uporablja stikalni regulator, je lahko zelo težavna tudi valovitost napetosti in toka na vhodnih in izhodnih filtrih zaradi visokofrekvenčnega delovanja. Čeprav so vse navedene težave rešljive, je treba vanje vložiti veliko časa in napora pri zasnovi.
Pri linearnih regulatorjih so vse pomanjkljivosti stikalnega tipa odpravljene. Linearni regulatorji so preprosti in stroškovno ugodni, zanje je potrebnih manj zunanjih komponent in z njimi ni povezano preklapljanje, ki bi ustvarjalo pretiran šum. V ustreznih aplikacijah so ta skromna vezja dobra izbira, kot je prikazano v tabeli 1.
Samo transformacija navzdol (buck)
Glavni poudarek v prejšnjem odstavku je »v ustreznih aplikacijah«, saj linearni regulatorji vključujejo nekaj kompromisnih rešitev, kar pomeni, da pri veliko zasnovah ne bodo delovali ali ne bodo primerni.
Linearni regulatorji lahko na primer samo znižajo vhodno napetost (transformacija navzdol). Zaradi navedene omejitve je morda treba zvišati osnovno enosmerno napetost z dodatnimi baterijami, s čimer se zagotovi, da napetost presega vhodno napetost, ki jo zahteva regulator LDO. To lahko pomeni, da je treba uporabiti pet celic, pri čemer ima vsaka nazivno napetost od 1 do 1,5 V, da se zagotovi zanesljiva izhodna napetost 5 V za celoten ciklus praznjenja baterij. Stroški za dodatne baterije lahko kmalu presežejo sicer dražji stikalni regulator, ki za delovanje zahteva manj baterij. Za dodatne baterije je potrebnega tudi več prostora.
Poleg tega lahko dejstvo, da linearni regulator ne more zvišati napetosti, predstavlja težavo, kadar ena od komponent v izdelku potrebuje višjo napetost kot druge komponente. Podobno velja tudi, kadar je v analognem vezju potrebna negativna napetost, saj v tem primeru linearnega regulatorja ni mogoče uporabiti, ker ne omogoča pretvorbe pozitivne napetosti.
Linearni regulator je manj učinkovit od stikalnega regulatorja , zato bo življenjska doba baterij krajša. Še slabše je, če baterije še vedno niso povsem prazne, vendar je njihov skupni izhod nižji od minimalne napetosti, ki jo zahteva integrirano vezje, saj preostale energije v njih ni mogoče pridobiti.
Nasprotno lahko stikalno vezje preklopi v način transformacije navzgor, da se baterija povsem izprazni.
Regulatorji za transformacijo navzdol in navzgor so lahko zelo koristni, če je izvorna enosmerna napetost iz baterij prvotno višja od dejanske zahtevane napetosti, vendar se nato zniža pod njo, ko se baterija izprazni. Vezje za transformacijo navzdol in navzgor lahko nemoteno preklaplja iz enega načina v drugi, kar pomeni, da je vrednost izhoda na želeni ravni, tudi če izhodna vrednost baterije pade pod njo.
Pri aplikacijah z zelo nizko močjo je skrajšanje življenjske dobe baterije v primerjavi s stroški stikalnega regulatorja morda sprejemljivo. Potrošnik na primer najverjetneje ne bo zadovoljen, če se življenjska doba baterije za izdelek, pri katerem je potrebna velika moč, zaradi linearnega regulatorja skrajša z 12 na 8 ur, pri izdelku, pri katerem je potrebna nizka raven moči, pa bo morda pripravljen sprejeti dejstvo, da se bo v zameno za nižjo prodajno ceno življenjska doba baterije skrajšala s 6 na 5 mesecev.
Visoko učinkovito območje linearnih regulatorjev
Linearni regulatorji na splošno morda niso tako učinkoviti kot stikalni pretvorniki ali regulatorji, vendar je njihova bistvena prednost v tem, da se njihova učinkovitost povečuje sorazmerno z zmanjševanjem razlike med vhodno in izhodno napetostjo. Ko vhodna napetost samo nekoliko presega vrednost izhoda, lahko linearni regulator doseže 95- do 99-odstotno učinkovitost.
Zaradi te lastnosti je lahko linearni regulator v določeni aplikaciji na splošno učinkovitejši, kot bi mogoče sklepali na podlagi poenostavljene neposredne primerjave. Da bi dobili točno vrednost, je treba upoštevati celoten profil praznjenja baterije med delovanjem izdelka in določiti povprečno učinkovitost v zadevnem časovnem obdobju (slika 1).
Čeprav učinkovitost pri popolnoma napolnjenih baterijah znaša približno 73 %, je povprečna učinkovitost v celotnem ciklu praznjenja 85 %. To vrednost je treba primerjati z ustrezno vrednostjo za stikalni regulator, pri čemer se njegova učinkovitost z zmanjševanjem napetosti baterije ne poveča.
Poleg tega je mogoče glede na sliko 1 ugotoviti, da je po 20 urah, ko baterije še vedno niso povsem prazne, razlika med vhodno in izhodno napetostjo premajhna, da bi jo lahko vezje reguliralo, zato preneha delovati. Kumulativna energija baterije, ki se uporablja za dejansko napajanje izdelka, je skupaj: povprečna učinkovitost regulacije x odstotek energije baterije pred nedelovanjem = 85 % × 80 % = 68 %.
Z izbiro integriranega vezja z zmožnostjo nižje izklopne napetosti se zagotovi boljše praznjenje baterije, s čimer se izboljša učinkovitost.
»Izklop« je opredeljen kot razlika med vhodno in izhodno napetostjo tik pred prenehanjem regulacije. Za primer na sliki 1 velja: če se linearni regulator nadomesti z vezjem z boljšo izklopno napetostjo (od 3,4 do 3,0 V), lahko baterije delujejo dodatne 2,5 ure in uporaba energije baterije se izboljša na: 85 % × 90 % = 76,5 %
Natančno preverite podatkovne liste proizvajalca, ker je lahko razlika med vhodno/izhodno napetostjo nekaterih tako imenovanih LDO vezij (low-dropout) precej velika. To lahko pomeni, da se luči izklopijo, čeprav baterija še vedno vsebuje precej energije. Upoštevati je treba tudi dejstvo, da je izklopna napetost odvisna od bremenskega toka.
Izbira in izvedba LDO vezja
Načrtovalec, ki mora izbrati ustrezno LDO vezje in želi izkoristiti prednosti linearnega regulatorja v določenih aplikacijah, se lahko zelo hitro izgubi v poplavi razpoložljivih možnosti. Klub domnevni preprostosti lahko podatkovni list za tipično LDO vezje poleg osnovnih specifikacij pogosto vključuje dvajset, trideset ali celo več grafov delovanja. Na teh grafih so prikazani statično in dinamično delovanje ter zmožnosti vezja v različnih scenarijih in pogojih delovanja.
Poleg LDO vezij za prenosljive aplikacije je na voljo tudi veliko vezij, ki so primerna za širok razpon vhodne in izhodne napetosti. Nekatera imajo stalno izhodno napetost, pri nekaterih lahko izhodne napetosti nastavi uporabnik, tretja pa omogočajo negativne izhodne vrednosti. Nekatera LDO vezja so predvidena za razmeroma splošen namen in imajo nadomestne vire, medtem ko so druga optimizirana za enega ali več parametrov in so zato predvidena za določene aplikacije. Raznolikost LDO vezij, ki so na voljo, je prikazana z nekaj primeri:
Avtomobilizem: integrirano vezje MAX16910 družbe Maxim Integrated je LDO z zmogljivostjo 200 mA in ultranizkim mirovnim tokom za avtomobilske aplikacije. Poleg osnovnega delovanja je primerna za izjemno stroge zahteve avtomobilskega okolja. Na vhodu je odporna na prehodne napetosti do +45 V, vzdrži in deluje lahko v avtomobilskih pogojih napetostnih konic ter lahko deluje (kot je specificirano) v temperaturnem razponu od –40 °C do +125 °C (slika 2), značilnem za avtomobilizem. Deluje pri vhodni napetosti od +3,5 V do +30 V, vendar porabi le 20 mikroamperov (µA) mirovnega toka v stanju brez obremenitve in le 1,6 μA v uporabniško nadzorovanem načinu izklopa.
Negativna napetost: pri načrtovanju okolja negativne napetosti uporaba »obratno« priklopljenega pretvornika ni ustrezna, ker se pri tem pojavijo vprašanja glede ozemljitve in druge težave glede topologije. Namesto tega je treba uporabiti negativni LDO. Za serijo ADP7183 podjetja Analog Devices so značilni negativni vhod/izhod in ultranizek šum (slika 3).
Ta integrirana vezja delujejo pri vhodni napetosti od −2,0 V do −5,5 V in zagotavljajo največji izhodni tok −300 miliamperov (mA). Zagotavljajo 15 možnosti fiksne izhodne napetosti od −0,5 V do −4,5 V ali nastavljiv izhod od −0,5 V do −VIN + 0,5 V. Poleg tega izhodni šum znaša samo 4 μVrms pri frekvenci od 100 Hz do 100 kHz, spektralna gostota šuma pa 20 nV/√Hz pri frekvenci od 10 kHz do 1 MHz. Tipični rejekcijski faktor napajalne napetosti (PSRR) znaša 75 dB pri 10 kHz; 62 dB pri 100 kHz in 40 dB pri 1 MHz.
Stalen/spremenljiv dvojni izhod: za razmeroma pogoste aplikacije, pri katerih enojno LDO vezje ni dovolj, družba Texas Instruments ponuja dvojni linearni krmilnik LFC789D25 z enim stalnim izhodom 2,5 V in enim nastavljivim izhodom. Izhodi krmilnika so zasnovani za krmiljenje zunanjih N-kanalnih tranzistorjev MOSFET, tako da so lahko tokovi razmeroma visoki, tj. do 3 A (običajno). To integrirano vezje je namenjeno zlasti za aplikacije, kot so napajanje pomnilnikov DDR1 (VDDQ) in izravnalnik VREF (slika 4). Njegova notranja napetostna referenca zagotavlja temperaturno kompenzacijo z 2-odstotno toleranco, kar je primerno za zadevne okoliščine.
Skoraj ničelni mirovni tok: v zvezi z baterijskimi aplikacijami, pri katerih je izjemno preudarna uporaba razpoložljive energije bistvena za izpolnjevanje izvedbenih ciljev, je treba omeniti izdelek družbe Richtek, in sicer družino izdelkov RT9069 z ultranizkim mirovnim tokom (Iq), ki znaša samo 2 µA. Zaradi njihove nogice za omogočanje lahko ta integrirana vezja preidejo v stanje globokega mirovanja, pri katerem mirovni tok znaša nič.
Ta LDO vezja delujejo pri širokem vhodnem razponu od 3,5 V do 36 V ter zagotavljajo do 200 mA. Na voljo so s stalnimi izhodnimi napetostmi 2,5 V, 3,3 V, 5 V, 9 V in 12 V. Stabilni so v celotnem razponu vhodne napetosti in razponu izhodnega toka, pri čemer poleg standardnega vhodnega filtrskega kondenzatorja, ki je potreben pri večini LDO vezij, uporabljajo samo en keramični izhodni kondenzator (slika 5).
Čim boljši izkoristek LDO vezja
Čeprav so LDO vezja razmeroma preprosta za uporabo, je treba upoštevati nekaj osnovnih smernic, da se izkoristijo prednosti takšnega vezja in prepreči morebitna škoda. Te smernice so med drugim povezane s praktično zasnovo, na primer toploto in embalažo, strukturo in šumom.
V zvezi s toploto je vsekakor treba preučiti tabelo in graf za varno območje delovanja in redukcijo na podatkovnem listu (slika 6).
Redukcija je funkcija veliko spremenljivk, vključno z LDO ohišjem. SOT-23 ohišje s 5 priključki je običajno predvideno za disipacijo nad 500 mW, nekatera ohišja z izpostavljenim hladilnikom pa so predvidena za skoraj štirikratnik navedene vrednosti. Če je LDO vezje nameščeno na optimalnem mestu z zadostnim pretokom zraka in/ali toplotno potjo z nizko impedanco, je mogoče redukcijo zaradi samosegrevanja preprosto določiti na podlagi podatkov prodajalca.
Zaključek
Prednost linearnih regulatorjev je zelo »čist« izhod z malo šuma v enosmernem izhodu, hkrati pa so lahko v primerjavi s stikalnimi pretvorniki precej manj učinkoviti in ne omogočajo povečanja vhodne napetosti.
Vseeno imajo prednost v nekaterih aplikacijah in jih je mogoče označiti kot najboljšo možnost v topologiji pretvornikov DC/DC, kar zadeva preprostost, stroške in v nekaterih pogojih delovanja tudi učinkovitost.
Bibliografija:
- »Linear Regulators in Portable Applications,» Application Note 751, Maxim Integrated
- »Understanding the Efficiency of an LDO,« Texas Instruments
