Превключващ регулатор срещу линеен регулатор All-Electronics
С един поглед
Линейните регулатори със сигурност не са правилното решение за всеки възможен сценарий, но с оглед на напредъка - по-ниски работни напрежения, MOSFET-та с по-малко съпротивление, както и подобрения на самите линейни регулатори и на други компоненти във веригата - разработчиците трябва отново да подходят към темата и да използват линейни регулатори като алтернатива Помислете за превключване на регулаторите.
Повечето хора смятат, че превключващите регулатори или линейните регулатори са по-доброто решение, което отдавна е било решено - точно както дискусията за мрежите за променлив или постоянен ток отдавна е приключила. Според конвенционалния възглед линейните регулатори са прости и евтини, но също така и неефективни; следователно те са подходящи само за чувствителни към разходи приложения, при които енергийната ефективност е от второстепенно значение, трябва да се подават само малки товари или желаното изходно напрежение е само малко под входното напрежение.
Линейният регулатор
Основната функционалност на линейния регулатор е много проста: Резистор с променлива серия под формата на транзистор е разположен между източника на напрежение и товара. Това съпротивление се контролира в зависимост от тока на товара по такъв начин, че да се получи постоянно изходно напрежение. Загуба на мощност, пропорционална на тока на натоварване и разликата между входното и изходното напрежение възниква в транзистора и се губи под формата на топлина. Изходното напрежение на линеен регулатор обикновено е по-ниско от входното напрежение и ефективното регулиране е възможно само ако разликата в напрежението между входа и изхода не падне под определена минимална стойност, която се нарича напрежение на отпадане. В миналото това отпадащо напрежение беше около 1,5 V. Входното напрежение трябва да е достатъчно голямо, за да поддържа тази минимална разлика в напрежението.
3-A линейният регулатор APE 8968MP-HF-3. Разширена силова електроника
Технологиите обаче се развиха през годините. Днес големите разлики в напрежението между източника на напрежение и товара са по-скоро изключение, отколкото правило. Много платки сега работят със значително по-ниски работни напрежения, отколкото са били често срещани в миналото. Не е необичайно най-високото работно напрежение на платката да е само 3.3 V. Много модули с флаш памет, процесори, микроконтролери и ASIC вече работят с напрежение от само 1.8 V, 1.2 V или дори по-малко от 1 V. Това означава, че обхватът на напрежението, който трябва да се регулира, е станал значително по-малък. Днес някои проекти дори се справят без превключване на регулатори, тъй като съвременните линейни регулатори позволяват ефективно регулиране при тези нива на напрежение.
Това се дължи главно на подобрените компонентни технологии. Ключовият компонент на линеен регулатор за енергийна ефективност е серийният транзистор. Съвременната MOSFET технология позволява високоефективни, изключително компактни MOSFET транзистори с много ниско съпротивление. Това има незабавен ефект върху отпадащото напрежение. В продължение на много години линейните регулатори с напрежение от падане 1,4 V се считат за регулатори с ниско отпадане (LDO). Драстично подобрената MOSFET технология сега позволява отпадащи напрежения от няколкостотин миливолта, дори при високи токове на натоварване. Тези регулатори са ефективно решение за приложения, при които изходното напрежение е само малко под входното напрежение. В тези случаи съвременните линейни регулатори могат да постигнат ефективност от 85 до 87 процента.
Напрежение на отпадане само 0,23 V при 3 A.
Окабеляване на 3-A линейния регулатор APE 8968MP-HF-3 с изходен кондензатор, който има последователно съпротивление (ESR) над 20 mOhm. Разширена силова електроника
Тези така наречени линейни регулатори "с ултра ниско отпадане" включват наскоро въведената APE 8968MP-HF-3 от Advanced Power Electronics - 3-A линеен регулатор, който работи с висока ефективност в приложения с разлика между входно/изходно напрежение от само 300 mV. Контролерът е предназначен за опростени приложения на DC/DC преобразуватели на борда на точката на натоварване (POL), например приложения на дънната платка и лаптопа, и изисква две работни напрежения - едно основно работно напрежение и друго за управление на MOSFET -Гейтс. Типичното напрежение на отпадане на този регулатор е само 0,23 V при 3 А.
Лесно е да се пренебрегне фактът, че линейните регулатори винаги са имали определени предимства пред превключването на регулатори в определени ситуации. Например загубата на мощност на линеен регулатор, преобразуван в топлина, в много случаи е по-малка от тази на превключващ регулатор, когато натоварването е малко или разликата между входно/изходно напрежение е малка. Друг важен аспект е шумът; това важи особено за приложенията за обработка на сигнали и все по-често за личните медицински изделия. Превключващите регулатори изискват филтърни компоненти за потискане на честотата на превключване, която може да бъде между 300 kHz и 1,5 MHz. Тези компоненти причиняват допълнителни разходи и заемат място на платката. Тъй като линейните регулатори не се превключват, те генерират значително по-малко шум. Това спестява компоненти и разходи, а също така увеличава надеждността. В допълнение, линейните регулатори са по-прости и по-малки компоненти, което спестява място и тегло на ПХБ.
Всяко дизайнерско решение е компромис
3-A линейният регулатор APE 8968MP-HF-3, свързан с MLCC (многослоен керамичен кондензатор) като изходен кондензатор. Разширена силова електроника
На практика разработчиците трябва да изберат решение, с което да постигнат необходимата производителност на системата и скорост на работа в рамките на определеното време за разработка и в рамките на определената рамка на разходите. За приложения, които изискват регулиране нагоре, линейните регулатори, разбира се, не могат да се питат, тъй като те могат да регулират само надолу. В приложения, работещи с батерии и преносими устройства, където животът на батерията и ефективността са с най-висок приоритет, превключващият регулатор може да бъде оптималното и „единствено правилно“ решение. Съществуват обаче много други приложения, при които ефективност от порядъка от 85 до 87 процента е напълно достатъчна, особено с оглед на значителните допълнителни разходи на превключващ регулатор. Значително по-малкият брой компоненти и съответно по-високата надеждност на решение за линеен контролер също могат да бъдат важни аспекти.