Разбирање на линеарните регулатори на ЛДО
Со цел регулаторот за низок исход (LDO) да испорача чист излезен напон и да функционира оптимално, особено на повисоки струјни нивоа, мора да се изберат точните параметри и параметри.
За повеќето области на примена, спецификациите на основните параметри на листот со податоци се доволни и лесни за разбирање. За жал, листовите со податоци не ги наведуваат параметрите за секоја можна состојба на префрлување. Затоа, со цел да се извлече максимум од ЛДО, императив е да се разберат клучните параметри на изведбата и нивниот ефект врз дадените оптоварувања. Програмерите треба да можат да утврдат дали ЛДО е погоден за одредено оптоварување со внимателно анализирање на условите за префрлување на животната средина.
Овој напис ги испитува основните параметри на перформансите на ЛДО и нивниот ефект врз испораката на чист излезен напон до различни компоненти во рамките на електронски систем. Покрај тоа, ние разговараме за факторите што инвеститорот мора да ги земе предвид за да се оптимизира системот, особено на повисоки тековни нивоа.
Како се користат линеарни регулатори (ЛДО) во апликациите
Во повеќето апликации, ЛДО примарно се користат за изолирање на чувствително оптоварување од бучен извор на енергија. За разлика од регулаторите за вклучување, линеарните регулатори имаат загуби на моќност во транзисторот за минување или MOSFET, што се користи за регулирање и одржување на излезниот напон со потребната точност. Поради оваа причина, дисипацијата на моќноста на ЛДО може да биде значителен недостаток во однос на ефикасноста и да предизвика термички проблеми. Затоа е важно програмерите да ја минимизираат дисипацијата на моќноста на ЛДО, со што се зголемува ефикасноста на системот и се избегнуваат какви било термички компликации.
ЛДО се едни од најстарите и најчесто користените уреди за регулирање на напонот, но многу од нивните клучни индикатори за перформанси немаат длабочина или барем нивниот потенцијал не се искористува во целост. Додека трошоците се важен фактор, употребата на ЛДО е пред се водена од барањата за изведба на системот и прифатливото ниво на мешање од товарот што се опслужува. ЛДО се користат и за намалување на бучавата, како и за корекција на проблемите предизвикани од електромагнетни пречки (ЕМИ) и рутирање на плочки.
При многу ниски струјни оптоварувања, дисипацијата на моќноста на LDO е многу незначителна; затоа е очигледен избор поради неговата едноставност, цена и лесна употреба. Спротивно на тоа, со големи струјни оптоварувања над 500 mA, другите фактори стануваат поважни и, во некои случаи, се одлучувачки. Во овие апликации, за развивачите на системот е важно да ги земат предвид параметрите на перформансите, чија тежина се зголемува со повисоки нивоа на струја, на пример, напон за испуштање, регулација на оптоварување и минливи перформанси.
Бидејќи ЛДО е еден вид линеарен регулатор, тие често се споредуваат со конвенционалните линеарни регулатори, особено во однос на трошоците. Тука треба да се напомене дека елементот за поминување е срцето на ЛДО, и ова и кола што го опкружуваат ја одредуваат работата на ЛДО.
LDO се состои од три основни функционални елементи: референтен напон, елемент на континуитет и засилувач на грешка, како што е прикажано на слика 1. За време на нормалното работење, елементот на континуитет делува како извор на струја за регулаторот на напон. Елементот на премин се контролира со компензиран контролен сигнал од засилувачот на грешката, кој го детектира излезниот напон и го споредува со референтниот напон.
Сите овие блокови на функции имаат влијание врз перформансите на ЛДО. Податоците во листовите од производителите на ЛДО секогаш содржат спецификации што ја опишуваат работата на овие функционални елементи.
Како што е прикажано на слика 2, обично има четири различни типови на елементи за проследување кои се наоѓаат во дизајните на регулаторот LDO: регулатори базирани на транзистор NPN, регулатори засновани на PNP транзистори, базирани на N-канал MOSFET и P-канал MOSFET базиран контролер.
Општо, регулаторите базирани на транзистор се карактеризираат со поголем напон на испуштање во споредба со регулаторите базирани на MOSFET. Покрај тоа, основната погонска струја на елементот на поминување на транзисторот на регулаторот базиран на транзистор е пропорционален на излезната струја. Ова директно влијае на струјата на мирување на регулаторот базиран на транзистор. За споредба, елементот за поминување на MOSFET го користи напонот на изолираната порта за да ја намали нејзината струја на мирување значително повеќе од регулаторот заснован на транзистор.
Важните параметри во контролорот за ниско напуштање
Напон на исфрлање: Напонот на испуштање се дефинира како разлика помеѓу влезниот и излезниот напон во точката во која понатамошен пад на влезниот напон предизвикува регулирање на излезниот напон. Во состојба на напуштање, елементот на континуитет работи во линеарен опсег и се однесува како отпорник. Во современиот ЛДО, елементот за пренесување обично се спроведува со PMOS или NMOS FET, при што може да се постигне напон на испуштање од само 30 mV до 500 mV. Слика 3 го прикажува напонот за испуштање на модулот ISL80510 LDO, кој користи PMOS FET како прооден елемент.
Регулирање на оптоварување: Регулацијата на оптоварувањето се дефинира како промена на излезниот напон за дадена промена на оптоварувањето. Нормално, тоа се движи од нула до полн товар, определено со следната равенка 1.
Контролата на оптоварување ги означува перформансите на елементот за премин и засилувањето во контролната јамка на контролорот. Колку е поголема засилувањето на еднонасочната затворена јамка, толку е подобра регулацијата на оптоварувањето.
Регулатива на линијата: Регулатива на линијата е промена на излезниот напон за дадена промена во влезниот напон, дефинирана во равенката 2 подолу:
Бидејќи контролата на линијата зависи и од перформансите на елементот за пренесување и добивката на еднонасочна контрола од контролната јамка, операцијата за напуштање често не се зема предвид при разгледување на контролата на линијата. Следствено, минималниот влезен напон за регулирање на линијата мора да биде поголем од напонот на отпаѓање.
Пенетрација на напон во напојувањето (PSRR, сооднос за одбивање на напојување): PSRR е вредност што укажува на можноста на LDO да ги амортизира флуктуациите на излезниот напон предизвикан од влезниот напон, видете слика 3. Додека регулаторната линија се смета само за директна струја, PSRR мора да има мора да се набудува широк опсег на фреквенција (види равенка 3 подолу):
За конвенционална контрола на затворена јамка, излезниот напон со мал сигнал може да се изрази како што е даден во Равенката 4 подолу:
Каде што V * е мал влезен напон на сигналот, Gvg е функција за пренос на отворена јамка од влез до излезен напон, kv е добивка на сензорот за излезен напон, GC е функција за пренос на компензаторот, Goc е функција за пренос на отворена јамка од контролниот сигнал до излезниот напон и kv GC Goc е функција на пренос на затворена контролна јамка Т (и).
Равенките 3 и 4 јасно покажуваат дека PSRR се состои од засилување на затворената контролна јамка Т и реципроцитет на функцијата за пренос на отворената контролна јамка од влезот до излезниот напон 1/Gvg (види слики 4 и 5). Додека на пониски фреквенции преовладува функцијата за пренос на затворената јамка, на повисоките фреквенции функцијата за пренос на отворената јамка зазема.
Други важни параметри на ЛДО
Бучава: Овој параметар генерално се однесува на бучавата во излезниот напон генериран од самиот LDO, што е вродена карактеристика на референцата на напонот на опсегот. Равенката 4 погоре ја покажува врската помеѓу референтниот напон и излезниот напон. За жал, функцијата за пренос на затворена јамка не се однесува на супресија на пречки од референтниот напон до излезниот напон. Поради оваа причина, повеќето ЛДО со низок шум бараат дополнителен филтер за да се спречи мешањето да влезе во контролната јамка.
Преоден одговор: LDO обично се користат во апликации во кои е важна контролата во точката на оптоварување (PoL; Точка на оптоварување), на пример, во напојувањето на дигиталните IC, DSP, FPGA и процесорите што штедат енергија. Товарот во такви апликации работи со неколку режими на работа кои бараат различни струи на напојување. Затоа, ЛДО мора брзо да реагира со цел да го задржи напонот на напојување во неговите потребни граници. Ова го прави минливото однесување на ЛДО еден од одлучувачките параметри за изведба.
Како и кај сите затворени контролни јамки, минливиот одговор главно зависи од ширината на опсегот на функцијата за пренос на контролната јамка. Со цел да се постигне најдоброто минливо однесување, пропусниот опсег на контролната јамка мора да биде што е можно повисок, притоа обезбедувајќи доволна резерва на фаза за одржување на стабилноста.
Мирна струја: Мирната струја (или струјата на истекување) на LDO е комбинација на повратна информација и погонска струја на елементот за минување; обично се одржува што е можно пониско. Покрај тоа, ако PMOS или NMOS FET се користат како елементи за премин, струјата на мирување останува релативно непогодена од струјата на оптоварување. Бидејќи струјата на мирување не тече низ излезот, тоа влијае на ефикасноста на LDO, што може да се пресмета од следната равенка 5:
Загубата на струја во рамките на LDO е дефинирана со Вин · (Iq + Iout) - Vout · Iout. Со цел да се оптимизира ефикасноста на LDO, мора да се минимизира и мирната струја и разликата помеѓу влезниот и излезниот напон. Оваа разлика има директен ефект врз ефикасноста и загубата на моќност, така што генерално се претпочита најмал напон на испуштање.
Иако линеарен регулатор не може да обезбеди конверзија со висока ефикасност во споредба со напојувањето со вклучен режим (SMPS), тој се користи како неопходен регулатор на напон во многу модерни апликации. Во апликациите што се чувствителни на пречки, за SMPS е многу тешко да се постигне потребната излезна остаток од бранување (бранување) за да се исполнат тесните спецификации за бучава. Како резултат, не е невообичаено да се додаде LDO како активен филтер на излезот од SMPS. Овој LDO мора да има висок PSRR на фреквенцијата на вклучување на напојувањето во режим на вклучено.
Регулаторите LDO се особено погодни за апликации чиј излезен напон треба само да се регулира малку под влезниот напон. Додека конверторите на buck и boost имаат ограничувања на примената за максимален/минимален работен циклус, регулацијата се губи со нивниот излезен напон кога влезниот напон е близу до напонскиот напон.
* Sitthipong Angkititrakul е инженер за апликации,
* Дананџај Синг е директор за маркетинг на производи во Интерлис, Милпитас/Калифорнија.