Разбиране на LDO линейни регулатори
За да може регулаторът за ниско отпадане (LDO) да достави чисто изходно напрежение и да функционира оптимално, особено при по-високи нива на ток, трябва да бъдат избрани правилните параметри и параметри.
За повечето области на приложение спецификациите на основните параметри на лист с данни са достатъчни и лесни за разбиране. За съжаление в информационните листове не са посочени параметрите за всички възможни условия на превключване. Следователно, за да извлечете максимума от LDO, е наложително да разберете ключовите параметри на производителността и техния ефект върху дадени товари. Разработчиците трябва да могат да определят дали LDO е подходящ за определен товар, като внимателно анализират условията на превключване на околната среда.
Тази статия разглежда основните параметри на ефективността на LDO и техния ефект върху подаването на чисто изходно напрежение към различни компоненти в електронна система. Освен това обсъждаме факторите, които разработчикът трябва да вземе предвид, за да оптимизира системата, особено при по-високи текущи нива.
Как се използват линейни регулатори (LDO) в приложения
В повечето приложения LDO се използват предимно за изолиране на чувствителен товар от шумен източник на енергия. За разлика от превключващите регулатори, линейните регулатори имат загуби на мощност в преминаващия транзистор или MOSFET, които се използват за регулиране и поддържане на изходното напрежение с необходимата точност. Поради тази причина разсейването на мощността на LDO може да бъде значителен недостатък по отношение на ефективността и да причини топлинни проблеми. Ето защо е важно разработчиците да минимизират разсейването на мощността на LDO, като по този начин увеличават ефективността на системата и избягват всякакви термични усложнения.
LDO са сред най-старите и най-често използваните устройства за регулиране на напрежението, но много от техните ключови показатели за ефективност липсват в дълбочина или поне техният потенциал не се използва напълно. Въпреки че разходите са важен фактор, използването на LDO се определя главно от изискванията за производителност на системата и приемливо ниво на смущения от обслужвания товар. LDO също се използват за намаляване на шума и коригиране на проблеми, причинени от електромагнитни смущения (EMI) и маршрутизиране на платки.
При много ниски токови натоварвания разсейването на мощността на LDO е много незначително; следователно това е очевидният избор поради своята простота, цена и лекота на използване. За разлика от това при високи токови натоварвания над 500 mA други фактори стават по-важни и в някои случаи са решаващи. В тези приложения е важно разработчиците на системи да вземат предвид параметрите на производителността, чието тегло се увеличава с по-високи нива на ток, например напрежението на отпадане, регулирането на товара и преходните характеристики.
Тъй като LDO са вид линеен регулатор, те често се сравняват с конвенционалните линейни регулатори, особено по отношение на разходите. Тук трябва да се отбележи, че преминаващият елемент е сърцето на LDO, а това и веригите около него определят работата на LDO.
LDO се състои от три основни функционални елемента: еталонно напрежение, елемент за непрекъснатост и усилвател на грешка, както е показано на фигура 1. По време на нормална работа елементът за непрекъснатост действа като източник на ток за регулатора на напрежението. Проходният елемент се управлява от компенсиран управляващ сигнал от усилвателя за грешка, който открива изходното напрежение и го сравнява с еталонното напрежение.
Всички тези функционални блокове оказват влияние върху производителността на LDO. Листовете с данни от производителите на LDO винаги съдържат спецификации, които описват работата на тези функционални елементи.
Както е показано на Фигура 2, обикновено има четири различни типа преминаващи елементи, намерени в конструкциите на LDO регулатори: NPN регулатори на транзисторна основа, PNP транзисторни регулатори, N-канални MOSFET базирани и P-канални MOSFET базиран контролер.
Като цяло, транзисторните регулатори се характеризират с по-високо напрежение на отпадане в сравнение с регулаторите, базирани на MOSFET. Освен това основният задвижващ ток на транзисторния пропускащ елемент на транзисторен регулатор е пропорционален на изходния ток. Това директно влияе върху тока на покой на транзисторния регулатор. За сравнение, пропускащият елемент на MOSFET използва напрежението на изолираната порта, за да намали своя ток в покой значително повече от транзисторния регулатор.
Важните параметри в контролера с ниско отпадане
Отпадащо напрежение: Отпадащото напрежение се дефинира като разликата между входното и изходното напрежение в точката, в която по-нататъшното спадане на входното напрежение води до неуспешно регулиране на изходното напрежение. В условието на отпадане елементът за непрекъснатост работи в линейния диапазон и се държи като резистор. В съвременния LDO пропускащият елемент обикновено се изпълнява с PMOS или NMOS FET, което позволява отпадащо напрежение от по-малко от 30 mV до 500 mV. Фигура 3 показва напрежението на отпадане на модула ISL80510 LDO, който използва PMOS FET като проходен елемент.
Регулиране на натоварването: Регулирането на натоварването се определя като промяната в изходното напрежение за дадена промяна в натоварването. Обикновено тя варира от нулево натоварване до пълно натоварване, определено от следното уравнение 1.
Контролът на натоварването показва работата на проходния елемент и усилването в управляващия контур на контролера. Колкото по-голям е коефициентът на усилване на постоянен ток със затворен контур, толкова по-добро е регулирането на натоварването.
Регулиране на линията: Регулирането на линията е промяната на изходното напрежение за дадена промяна на входното напрежение, определена в уравнение 2 по-долу:
Тъй като регулирането на линията също зависи от производителността на проходния елемент и печалбата за постоянен ток на управляващия контур, операцията за отпадане често не се включва при разглеждане на регулирането на линията. Следователно минималното входно напрежение за регулиране на линията трябва да бъде по-високо от напрежението на отпадане.
Проникване на захранващото напрежение (PSRR, коефициент на отхвърляне на захранването): PSRR е стойност, която показва способността на LDO да намалява колебанията в изходното напрежение, причинени от входното напрежение, вижте Фигура 3. Докато регулирането на линията се разглежда само за постоянен ток, PSRR трябва да има трябва да се спазва широк честотен диапазон (виж уравнение 3 по-долу):
За конвенционално управление със затворен цикъл изходното напрежение с малък сигнал може да бъде изразено, както е дадено в уравнение 4 по-долу:
Където V * in е входното напрежение с малък сигнал, Gvg е трансферната функция с отворен контур от входното към изходното напрежение, kv е усилването на сензора на изходното напрежение, GC е трансферната функция на компенсатора, Goc е трансферната функция с отворен контур от управляващия сигнал към изходното напрежение и kv GC Goc е трансферната функция на затворения контур за управление T (s).
Уравненията 3 и 4 ясно показват, че PSRR се състои от усилването на затворения контур за управление T (s) и реципрочното на трансферната функция на отворения контур за управление от входа към изходното напрежение 1/Gvg (вижте фигури 4 и 5). Докато при по-ниски честоти преобладава трансферната функция на затворения контур, при по-високите честоти трансферната функция на отворения контур поема.
Други важни LDO параметри
Шум: Този параметър обикновено се отнася до шума в изходното напрежение, генериран от самия LDO, което е присъща характеристика на референтното напрежение на честотната лента. Уравнение 4 по-горе показва връзката между еталонното напрежение и изходното напрежение. За съжаление обаче функцията за прехвърляне на затворен цикъл не се прилага за потискане на смущения от референтното напрежение към изходното напрежение. Поради тази причина повечето LDO с ниско ниво на шум изискват допълнителен филтър, за да се предотврати навлизането на смущения в контролния контур.
Преходно поведение: LDO обикновено се използват в приложения, при които управлението в точката на натоварване (PoL; Point of Load) е важно, например в захранването на цифрови интегрални схеми, DSP, FPGA и енергоспестяващи процесори. Натоварването в такива приложения работи с няколко режима на работа, които изискват различни захранващи токове. Следователно LDO трябва да реагира бързо, за да поддържа захранващото напрежение в необходимите му граници. Това прави преходното поведение на LDO един от решаващите параметри на производителността.
Както при всички затворени контури за управление, преходният отговор зависи главно от честотната лента на трансферната функция на контролния контур. За да се постигне най-добрата преходна реакция, честотната лента на управляващия контур трябва да бъде възможно най-висока, но в същото време да осигурява достатъчен фазов резерв за поддържане на стабилност.
Ток на покой: Токът на покой (или токът на утечка) на LDO е комбинацията от обратна връзка и задвижващ ток на преминаващия елемент; обикновено се поддържа възможно най-ниско. В допълнение, ако PMOS или NMOS FET се използват като проходни елементи, токът на покой остава относително незасегнат от тока на натоварване. Тъй като токът на покой не протича през изхода, той влияе върху ефективността на LDO, което може да се изчисли от следното уравнение 5:
Загубата на мощност в LDO се определя от Vin · (Iq + Iout) - Vout · Iout. За да се оптимизира LDO ефективността, токът на покой и разликата между входното и изходното напрежение трябва да бъдат сведени до минимум. Тази разлика има пряк ефект върху ефективността и загубата на мощност, така че обикновено се предпочита най-ниското отпадащо напрежение.
Въпреки че линейният регулатор не може да осигури преобразуване с висока ефективност в сравнение с захранването с превключен режим (SMPS), той се използва като необходим регулатор на напрежение в много съвременни приложения. В приложения, които са чувствителни към смущения, е много трудно за SMPS да постигне необходимата остатъчна пулсация на изхода (пулсации), за да изпълни тясна спецификация на шума. В резултат на това не е необичайно добавянето на LDO към изхода на SMPS като активен филтър. Този LDO трябва да има висок PSRR при честотата на превключване на захранването с превключен режим.
LDO регулаторите са особено подходящи за приложения, чието изходно напрежение трябва да се регулира само малко под входното напрежение. Докато преобразувателите на напрежение и усилване имат граници на приложение за максимален/минимален работен цикъл, регулирането се губи с тяхното изходно напрежение, когато входното напрежение е близо до изходното напрежение.
* Sitthipong Angkititrakul е инженер по приложения,
* Dhananjay Singh е продуктов мениджър маркетинг в Intersil, Милпитас/Калифорния.