Регулятор с низким падением напряжения ( регулятор LDO ) представляет собой DC линейный регулятор напряжения , который может регулировать выходное напряжение , даже когда напряжение питания находится очень близко к выходному напряжению. [1]
Преимущества регулятора напряжения с низким падением напряжения по сравнению с другими регуляторами постоянного тока в постоянный включают отсутствие шума переключения (поскольку переключение не происходит), меньший размер устройства (поскольку не требуются ни большие индукторы, ни трансформаторы) и большая простота конструкции (обычно состоит из опорный, усилитель и проходной элемент). Недостатком является то, что, в отличие от импульсных регуляторов , линейные регуляторы постоянного тока должны рассеивать мощность и, следовательно, нагреваться через регулирующее устройство, чтобы регулировать выходное напряжение. [2]
История
Регулируемый регулятор с малым падением напряжения дебютировал 12 апреля 1977 года в статье Electronic Design, озаглавленной « Избавьтесь от регуляторов с фиксированной интегральной схемой ». Статья была написана Робертом Добкиным , разработчиком микросхем, тогда работавшим 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 главным техническим директором. [4]
Составные части
Основными компонентами являются силовой полевой транзистор и дифференциальный усилитель (усилитель ошибки). Один вход дифференциального усилителя контролирует долю выхода, определяемую соотношением резисторов R1 и R2. Второй вход дифференциального усилителя - это стабильное опорное напряжение ( опорное значение ширины запрещенной зоны ). Если выходное напряжение повышается слишком высоко по сравнению с опорным напряжением, привод к силовому полевому транзистору изменяется, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.
Регулирование
Стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO) работают аналогично всем линейным стабилизаторам напряжения . Основное различие между стабилизаторами LDO и не-LDO заключается в их схематической топологии . Вместо топологии эмиттерного повторителя стабилизаторы с малым падением напряжения состоят из топологии с открытым коллектором или открытым стоком , где транзистор может быть легко приведен в состояние насыщения с помощью напряжений, доступных для регулятора. Это позволяет падению напряжения от нерегулируемого напряжения до регулируемого напряжения на уровне (ограниченном) напряжении насыщения на транзисторе. [2] : Приложение A
Для схемы, представленной на рисунке справа, выходное напряжение задается как:
Если используется биполярный транзистор , в отличие от полевого транзистора или JFET , для его управления может быть потеряна значительная дополнительная мощность, тогда как регуляторы без LDO получают эту мощность от самого падения напряжения. Для высоких напряжений при очень малой разнице между входами и выходами в цепи управления будут существенные 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 . [ необходима цитата ]
Силовые полевые транзисторы могут быть предпочтительнее для снижения энергопотребления, но это создает проблемы, когда стабилизатор используется для низкого входного напряжения, поскольку полевым транзисторам обычно требуется 5-10 В для полного закрытия. Силовые полевые транзисторы также могут увеличить стоимость.
КПД и рассеивание тепла
Мощность, рассеиваемая в проходном элементе и внутренней схеме () типичного LDO рассчитывается следующим образом:
где это ток покоя, необходимый LDO для его внутренней схемы.
Следовательно, можно рассчитать КПД следующим образом:
где
Однако, когда LDO работает на полную мощность (т. Е. Подает ток на нагрузку), как правило: . Это позволяет снизить на следующее:
что дополнительно сокращает уравнение эффективности до:
При использовании линейного регулятора с малым падением напряжения важно учитывать тепловые характеристики. Наличие большого тока и / или большой разницы между входным и выходным напряжением может привести к значительному рассеянию мощности. Кроме того, эффективность пострадает по мере увеличения разницы. В зависимости от упаковки чрезмерное рассеивание мощности может повредить LDO или привести к его тепловому отключению.
Ток покоя
Среди других важных характеристик линейного регулятора - ток покоя , также известный как ток заземления или ток питания, который учитывает разницу, хотя и небольшую, между входным и выходным токами LDO, а именно:
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]
Для многих приложений не требуется, чтобы LDO постоянно работал в полную силу (т. Е. Подавал ток на нагрузку). В этом состоянии ожидания LDO по-прежнему потребляет небольшой ток покоя, чтобы поддерживать внутреннюю схему в готовности в случае наличия нагрузки. Когда на нагрузку не подается ток, можно найти следующим образом:
Фильтрация
Помимо регулирования напряжения, LDO также можно использовать в качестве фильтров . Это особенно полезно , когда система использует коммутаторы , которые вводят в пульсацию выходного напряжения , происходящем на частоте переключения. Оставшись один, эта пульсация имеет потенциал , чтобы отрицательно повлиять на производительность генераторов , [7] преобразователей данных , [8] и радиочастотные системы [9] будучи на питание от коммутатора. Однако любой источник питания, а не только переключатели, может содержать элементы переменного тока, которые могут быть нежелательными для конструкции.
При использовании LDO в качестве фильтра следует учитывать две характеристики: коэффициент подавления источника питания (PSRR) и выходной шум.
Характеристики
LDO характеризуется выпадающим напряжением, током покоя, регулированием нагрузки, линейным регулированием, максимальным током (который определяется размером проходного транзистора), скоростью (насколько быстро он может реагировать при изменении нагрузки), колебаниями напряжения. на выходе из-за внезапных переходных процессов в токе нагрузки, выходном конденсаторе и его эквивалентном последовательном сопротивлении. [10] Скорость обозначается временем нарастания тока на выходе, поскольку оно 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 стабильности позволил установить некоторые показатели производительности, чтобы получить такое поведение, и включил правильное размещение полюсов и нулей. В большинстве случаев доминирующий полюс возникает на низких частотах, в то время как другие полюса и нули выталкиваются на высоких частотах.
Коэффициент отклонения источника питания
PSRR относится к способности LDO подавлять пульсации, которые он видит на своем входе. [11] В рамках своего регулирования усилитель ошибки и запрещенная зона ослабляют любые всплески входного напряжения, которые отклоняются от внутреннего эталона, с которым оно сравнивается. [12] В идеальном LDO выходное напряжение должно состоять исключительно из частоты постоянного тока. Однако усилитель ошибки ограничен в способности получать небольшие выбросы на высоких частотах. PSRR выражается следующим образом: [11]
Например, LDO с PSRR 55 дБ на 1 МГц ослабляет входную пульсацию 1 мВ на этой частоте до 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). Тем не менее, Performance LDO отличается высоким PSRR в широком диапазоне частот (10 Гц - 5 МГц). Наличие высокого PSRR в широком диапазоне позволяет LDO подавлять высокочастотный шум, подобный тому, который возникает от коммутатора. Подобно другим спецификациям, PSRR колеблется по частоте, температуре, току, выходному напряжению и разности напряжений.
Выходной шум
Шум от самого LDO также должен быть учтен при проектировании фильтра. Как и другие электронные устройства, LDO подвержены тепловому шуму , биполярному дробовому шуму и мерцанию шума . [9] Каждое из этих явлений вносит свой вклад в выходное напряжение, в основном сосредоточенное в нижней части частотного спектра. Чтобы правильно фильтровать частоты переменного тока, LDO должен как подавлять пульсации на входе, так и вносить минимальный шум на выходе. Попытки ослабить пульсации входного напряжения могут оказаться напрасными, если зашумленный LDO просто снова добавит этот шум на выходе.
Регулирование нагрузки
Регулировка нагрузки - это мера способности схемы поддерживать заданное выходное напряжение при различных условиях нагрузки. Регулирование нагрузки определяется как:
Наихудший случай колебаний выходного напряжения происходит при переходе тока нагрузки от нуля до максимального номинального значения или наоборот. [6]
Линия регулирования
Линейное регулирование - это мера способности схемы поддерживать заданное выходное напряжение при изменении входного напряжения. Линейное регулирование определяется как:
Как и регулирование нагрузки, линейное регулирование является параметром установившегося состояния - все частотные составляющие не учитываются. Увеличение коэффициента усиления постоянного тока в разомкнутом контуре улучшает линейное регулирование. [6]
Переходный ответ
Переходная характеристика - это максимально допустимое изменение выходного напряжения для скачкообразного изменения тока нагрузки. Переходная характеристика является функцией емкости выходного конденсатора (), эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора, байпасного конденсатора (), который обычно добавляется к выходному конденсатору для улучшения переходной характеристики нагрузки, и максимального тока нагрузки (). Максимальное изменение переходного напряжения определяется следующим образом:
[6]
Где соответствует полосе пропускания с обратной связью стабилизатора LDO. - изменение напряжения в результате наличия ESR () выходного конденсатора. Приложение определяет, насколько низким должно быть это значение.
Смотрите также
- Линейный регулятор
- Регулятор напряжения
- Импульсный источник питания
- Список линейных интегральных схем
- LM7805
Рекомендации
- ↑ Пол Горовиц и Уинфилд Хилл (1989). Искусство электроники . Издательство Кембриджского университета. С. 343–349. ISBN 978-0-521-37095-0.
- ^ а б Джим Уильямс (1 марта 1989 г.). «Высокоэффективные линейные регуляторы» . Линейная технология . Проверено 29 марта 2014 .
- ^ Регуляторы с малым падением напряжения, линейные регуляторы, линейный стабилизатор CMOS
- ^ Дон Туите (1 сентября 2007 г.). «Изобретатель обновляет классический 30 лет спустя» . Архивировано из оригинального 15 октября 2007 года . Проверено 9 октября 2007 года .
- ^ Симпсон, Честер. «Основы линейных и импульсных регуляторов напряжения» . ti.com . Техасские инструменты . Проверено 18 июня 2015 года .
- ^ а б в г Ли, Банг С. "Понимание терминов и определений регуляторов напряжения LDO" . Техасские инструменты . Проверено 30 августа 2013 года .
- ^ Мохаммед, Хабиб. «Влияние шума питания на фазовый шум генератора» .
- ^ Рамус, Ксавьер. «Измерение PSR в АЦП» .
- ^ а б Питадиа, Санджай. «Демистификация шума LDO» . Инструменты Техаса.
- ^ Токоэффективный низковольтный LDO Тезис Ринкон-Мора
- ^ а б Питадиа, Санджай. «Упрощенное измерение LDO PSRR» . Инструменты Техаса.
- ^ День, Майкл. «Понимание регуляторов с низким уровнем выпадения (LDO)» . Инструменты Техаса.
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 указаний по применению TI LDO - TI