Линейный преобразователь напряжения: Преобразователи линейные и импульсные – что это такое?

Сравнение линейного и импульсного регуляторов в промышленных применениях с шиной 24 В

15 ноября 2017

Рич Новаковски, Роберт Тэйлор (Texas Instruments)

Линейные регуляторы применяются уже в течение нескольких десятилетий. Некоторые разработчики до сих пор используют эти компоненты 20-летней давности не только в старых проектах, но и в новых. Другие продолжают делать свои собственные «линейники» из дискретных компонентов. В самом деле, в большинстве приложений сложно придумать что-то проще, чем линейные регуляторы. Однако в маломощных устройствах со входом 24 В, например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) могут возникнуть проблемы с выделением тепла, если падение напряжения будет слишком большим. К счастью, благодаря тому, что появились небольшие импульсные регуляторы с широким входом по напряжению и с высоким КПД, у разработчиков есть несколько вариантов для выбора. Сравним три различных решения для преобразователя с входом 24 В и с выходными параметрами 5 В, 100 мА: синхронный понижающий преобразователь, интегрированный линейный регулятор и линейный регулятор на дискретных компонентах.

Размеры, КПД системы, температурные характеристики, отклик на импульсную нагрузку, шумы, сложность и стоимость сопоставляются, чтобы помочь разработчикам выбрать наиболее оптимальное решение, отвечающее их требованиям.

Условия сравнения

Большинство индустриальных приложений работает от 24 В и требует 5 В для питания различных нагрузок, таких как логика и маломощные микропроцессоры. Выходной ток 100 мА выбран, так как его обычно достаточно для питания логики и процессоров. Однако на решение, что же все-таки применить – импульсный или линейный регулятор влияет, в первую очередь, мощность потерь, которую необходимо рассеять. Электрические схемы сравниваемых решений представлены на рисунках 1, 2 и 3. Все решения спроектированы на идентичных печатных платах с керамическими конденсаторами 1 мкФ на входе и 4,7 мкФ на выходе. В решении на рисунке 1 применяется микросхема TPS54061 производства компании

Texas Instruments. Это – синхронный понижающий преобразователь со встроенными MOSFET. Следует обратить внимание, что это решение не требует диода, но необходимо использовать дроссель, 5 конденсаторов и 4 резистора.

Рис. 1. Импульсный понижающий конвертер со встроенными MOSFET

Данная микросхема имеет внешнюю компенсацию обратной связи, которая настроена для работы с такими же конденсаторами на входе и выходе, как и у линейных регуляторов на рисунках 2 и 3. На рисунке 2 изображена электрическая схема интегрированного линейного регулятора Texas Instruments LM317. У этой микросхемы широкий вход по напряжению, максимальный выходной ток 1,5 А, и в обвязке всего два резистора и два конденсатора. Микросхема очень популярна среди разработчиков благодаря простоте. Большая разница между входным и выходным напряжениями требует низкого теплового сопротивления корпуса, поэтому был выбран корпус D

2PAK (double-decawatt package).

Рис. 2. Интегрированный линейный регулятор с широкополосным входом

На рисунке 3 изображен дискретный линейный регулятор, состоящий из транзистора и стабилитрона с двумя внешними конденсаторами и четырьмя внешними резисторами. Стабилитрон на базе биполярного NPN-транзистора устанавливает уровень напряжения 5,6 В. Из-за падения напряжения «база-эмиттер» напряжение на выходе стабилизируется на уровне приблизительно 5 В. Внешние резисторы используются для того чтобы уменьшить потери на NPN-транзисторе.

Рис. 3. Дискретный линейный регулятор

В таблице 1 все три решения сравниваются по количеству компонентов обвязки и площади, занимаемой на печатной плате. Линейные решения требуют больше места на плате, чтобы лучше отводить рассеиваемую мощность. При максимальной нагрузке каждый «линейник» должен рассеивать около 2 Вт мощности. Главное правило, о котором следует помнить, заключается в том, что на площади 1 дюйм

2 при рассеянии мощности 1 Вт температура возрастает на 100°С. Линейные регуляторы спроектированы таким образом, чтобы максимальный рост температуры был не более 40°С. Если на печатной плате мало места – оптимально применить синхронный понижающий импульсный преобразователь, несмотря на большое количество внешних компонентов и необходимость выбрать дроссель и рассчитать цепочку компенсации обратной связи.

Таблица 1. Сравнение решений по занимаемой площади и количеству компонентов

Тип преобразователя	Занимаемая площадь на печатной плате, дюйм²	Количество компонентов	Сложность решения
Импульсный (понижающий) (TPS54061)	0,14	11	Высокая
Интегрированный линейный (LM317)	2,25	5	Низкая
Дискретный линейный (стабилитрон/транзистор)	2,25	8	Средняя

Тепловые характеристики

Фотография на рисунке 4, сделанная тепловизором, отображает распределение температуры на печатной плате каждого из приведенных решений. Печатная плата спроектирована таким образом, что соседние схемы не влияют на нагрев друг друга.

Рис. 4. Выделяемое от каждой схемы тепло

Из таблицы 2 видно, что импульсный регулятор нагревается минимально, всего на 11°С. При большой разнице между входным и выходным напряжением импульсный регулятор с синхронным выпрямлением значительно превосходит по КПД линейные решения (таблица 3).

Интересно отметить, что температура в рабочем режиме интегрированного линейного регулятора отличается от температуры дискретного «линейника». Из-за того, что интегрированный линейный регулятор исполнен в более крупном корпусе D²PAK, он рассеивает мощность на большей площади. Дискретное решение выполнено с использованием корпусов SOT-23 и SOT-223, которые меньше, чем D²PAK. Следовательно, у них больше тепловое сопротивление, что затрудняет отвод рассеиваемой мощности.

Таблица 2. Сравнение по тепловым характеристикам

Тип преобразователя	Разница температур, °С	Максимальная температура, °С	Корпус
Импульсный (понижающий)	11	40,7	3×3 мм VSON
Интегрированный линейный	27	56,2	D2PAK
Дискретный линейный	40	69,1	SOT-23, SOT-223

Сравнение по КПД

Температурная картина напрямую зависит от КПД каждого регулятора. На рисунке 5 изображено сравнение по КПД каждой из трех схем. Как и ожидалось, импульсный регулятор превосходит остальные регуляторы при малой и при максимальной нагрузках.

Рис. 5. КПД в зависимости от тока нагрузки

При небольших нагрузках потери переключения и ток собственного потребления становятся более явными. Это объясняет снижение КПД при небольших нагрузках. На малой нагрузке нагляднее будет посмотреть график потерь мощности (рисунок 6). При токе нагрузки 10 мА и напряжении питания 24 В разница КПД между импульсным и линейным решениями составляет 50%. Потери мощности в этой рабочей точке импульсного конвертера составляют 2,8 мВт, а потери линейного регулятора – 345 мВт. На максимальной нагрузке потери «импульсника» составляют 93 мВт, потери линейного регулятора – 2,06 Вт.

Рис. 6. Потери мощности в зависимости от тока нагрузки

В таблице 3 приводится сравнение КПД и потерь мощности для всех решений. Следует обратить внимание, что ток собственного потребления дискретного линейного регулятора меньше, чем у интегрированного линейного регулятора. Но интегрированное решение, в свою очередь, сочетает в себе больше различных функций, чем дискретный «линейник».

Таблица 3. Сравнение по потерям мощности и КПД

Тип преобразователя	Максимальная нагрузка		Без нагрузки
	КПД, %	Мощность потерь, Вт	Ток собственного потребления, мА
Импульсный (понижающий)	84,5	0,093	0,5
Интегрированный линейный	20,0	2,06	5,5
Дискретный линейный	20,1	2,02	4

Выходные характеристики

Аналоговые цепи могут быть чувствительны к пульсациям напряжения, а цифровые процессоры – к точному значению напряжения центрального ядра. Для таких чувствительных нагрузок важно контролировать пульсации напряжения, точность выходного напряжения и максимальные отклонения напряжения при переходных процессах. Линейные регуляторы сами по себе имеют малые пульсации и используются для фильтрации шума импульсных регуляторов. Выходные пульсации напряжения линейных регуляторов обоих типов составляют не более 10 мВ. В процентном соотношении этот показатель составляет 0,2%. С другой стороны, пульсации напряжения импульсного регулятора составляют 75 мВ или 1,5% выходного напряжения. Низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсатора на выходе импульсного регулятора позволяет уменьшить пульсации выходного напряжения, даже несмотря на характерный уровень шума на выходе. Сравнивая точность выходного напряжения импульсного регулятора и линейных регуляторов при переходе от режима холостого хода до максимальной нагрузки, получаем наилучшее значение этого параметра у «импульсника». Дальнейшее исследование параметров всех трех решений обнаруживает, что опорное напряжение в цепи обратной связи импульсного регулятора – наиболее стабильное. Дискретный линейный регулятор использует достаточно простой способ регулирования выходного напряжения, поэтому у него худшие параметры в сравнении с остальными решениями.

Во многих случаях очень точное напряжение не требуется, так как, к примеру, достаточно часто напряжение 5 В конвертируется в более низкие номиналы с помощью дополнительных регуляторов. Отклик на импульсное изменение нагрузки для всех типов регуляторов изображен на рисунках 7…9.

Рис. 7. Импульсный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 8. Интегрированный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 9. Дискретный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку

Хотя импульсный регулятор имеет достаточно высокую точность выходного напряжения, отклонение этого параметра при отработке импульсной нагрузки оказывается хуже, чем у линейных решений. Отклонение выходного напряжения при скачке выходного тока 50…100 мА составляет 250 мВ или 5% от выходного напряжения. При этом для линейных решений отклонение составляет 40 мВ. На выход импульсного регулятоpa можно добавить дополнительную емкость для уменьшения отклонения напряжения. Но это, в свою очередь, повлияет на стоимость и площадь, занимаемую на печатной плате. Стоит обратить внимание, что дискретный линейный регулятор не спроектирован специально для отработки скачков выходного тока, а также не имеет защиты по максимальному току и функции отключения по превышению температуры. В таблице 4 изображены выходные характеристики каждого из рассматриваемых решений.

Таблица 4. Сравнение характеристик выходного напряжения

Тип регулятора	Пульсации Vout, мВ	Отклонение выходного напряжения при импульсной нагрузке 50…100 мА	Ошибка регулирования при импульсной нагрузке 0…100 мА
Импульсный	75	250	1,5
Интегрированный линейный	<10	40	0,7
Дискретный линейный	<10	40	21,8

Сравнение по стоимости

Большинство внешних компонентов, применяемых в этих схемах – резисторы и конденсаторы миниатюрного размера, стоящие менее 0,01$. Комплексная стоимость спецификации всех решений представлена в таблице 5. Стоимость рассчитана исходя из количества 10 тыс. шт. по ценам, актуальным для США на дату написания данной статьи. Легко заметить, что линейные решения стоят в несколько раз дешевле, чем импульсный регулятор. Это связано с тем, что «импульсник» требует наличия внешнего дросселя, который может стоить 0,10$, да и сама микросхема стоит намного дороже. Но, несмотря на существенную разницу в стоимости, отличные технические характеристики импульсного преобразователя могут оказаться более важными, чем высокая цена. Разница в цене между линейными решениями составляет всего 0,06$ в пользу дискретного решения. Но функции защиты, встроенные в интегрированный линейный регулятор могут оказаться ценнее небольшой экономии.

Таблица 5. Сравнение стоимости комплектующих по спецификации

Тип регулятора	Стоимость спецификации при 1 тыс. шт., $
Импульсный	1,80
Интегрированный линейный	0,32
Дискретный линейный	0,26

Заключение

Существует множество доступных разработчикам решений в области управления электропитанием. Наиболее оптимальное решение можно выбрать, только отталкиваясь от конкретной технической задачи. Решения по управлению электропитанием, которые снижают потребление энергии и уменьшают площадь, занимаемую на печатной плате, являются наиболее привлекательными на рынке на текущий момент. Синхронный понижающий импульсный преобразователь позволяет значительно улучшить КПД преобразования и уменьшить размер по сравнению с линейными решениями. Если перед разработчиком стоит задача максимально удешевить изделие – на помощь придет линейный регулятор на дискретных компонентах. Но за это придется заплатить отсутствием защитных функций, достаточно низким КПД и затратами на радиатор для хорошего теплоотвода. В таблице 6 приводится комплексное сравнение всех трех регуляторов, чтобы помочь разработчику выбрать именно то решение, которое наилучшим образом подходит для конкретной технической задачи.

Таблица 6. Характеристики регуляторов 5 В/100 мА со входом 24 В

Тип регулятора	Стоимость BOM при 1 тыс. шт., $	Пульсации Vout, мВ	КПД при максимальной нагрузке	Занимаемое место на плате, дюйм²	Сложность решения
Импульсный	1,80	75	84,5	0,14	Высокая
Интегрированный линейный	0,32	<10	20,0	2,25	Низкая
Дискретный линейный	0,26	<10	20,1	2,25	Средняя

Оригинал статьи.

•••

Наши информационные каналы

Импульсные и линейные преобразователи

Импульсный преобразователь напряжения

Для трансформации напряжения из одного уровня в другой применяются импульсные преобразователи постоянного напряжения, в работе которых используются индуктивные накопители. В таких конверторах мощность на выходе регулируются благодаря изменениям временного промежутка воздействия на нагрузку одним из двух способов:

• частотно-импульсным;

• широтно-импульсным.

Принцип действия импульсного повышающего преобразователя напряжения состоит в создании такого режима транзистора, во время которого вся цепь подачи мощности в нагрузку будет периодически прерываться. Таким образом, импульсный преобразователь 24 12 позволяет упорядочить колебания продолжительности выходящих импульсов при их неизменяющемся периоде изменения. Однотактный импульсный преобразователь напряжения может работать в диапазоне мощностей от 0 до 100 Вт. Если же требуется устройство большей мощности, то применяют многотактный импульсный преобразователь напряжения.

Импульсный преобразователь dc dc

Во всех типах импульсных преобразователей dc dc открывание полупроводниковых ключей происходит во время передачи на транзистор специальных импульсов, с последующим запиранием этих транзисторов, в том числе и за счет возникающего напряжения от перезарядки конденсатора. Поэтому коммутирующий блок в таких конверторах отличается от таких же устройств в независимых инверторах.

Как правило, импульсный преобразователь dc dc помогает на нагрузке осуществить контроль за постоянным напряжением во время подключения к электросети постоянного тока за счет регулирования снижения напряжения на открытом полупроводниковом ключе. В этом случае небольшие показатели тока позволяют установить высокий уровень коэффициента полезного действия (КПД), достигающего 90-95%, импульсного конвертора постоянного напряжения при небольших размерах и весе. Такие показатели считаются существенными преимуществами, поэтому импульсный преобразователь нашел широкое применение в таких конструкциях, в которых изначально источником тока является контактная сеть, батарейки, аккумуляторы.   

Импульсный повышающий преобразователь с 12 В на 220 В

Очень часто возникают ситуации, когда отсутствует источник электропитания, но необходимо запитать бытовые электроприборы, например, от сети автомобиля. В этом случае используют импульсный повышающий преобразователь. Существует много схематических конструкций, в которых импульсный преобразователь 12 220 работает на повышенной частоте питающего напряжения. К такому импульсному повышающему преобразователю могут подсоединяться любые бытовые приборы, работающих на частоте 50 Гц, мощность которых не превышает максимальную и имеет защиту от перегрузки в сети по напряжению. Такое решение имеет свои преимущества, среди которых основные:

• длительный режим работы даже при максимальной загруженности;

• регулирование выходной мощности происходит автоматически;

• за счет повышенного КПД достигается высокая надежность и нормальный режим работы устройства.  

Проектирование 3,3 В линейного DC-DC преобразователя напряжения – Компоненты и технологии

Статья поможет сориентироваться в большой номенклатуре линейных стабилизаторов компании Micrel и сделать правильный выбор.

Переход на использование логических ИС и ИС памяти с питанием 3,3 В создал спрос на компоненты преобразования напряжения. В то же время, во многих изделиях остаются ИС с питанием 5 В, поэтому приходится использовать два напряжения питания — 3,3 и 5 В. Существует два пути решения проблемы. Первый состоит в том, чтобы заменить AC/DC-преобразователь с выходом 5 В на преобразователь с двумя выходами: 5 и 3,3 В. У такого решения есть два существенных недостатка: во-первых, преобразователь с двумя выходами стоит дороже, чем с одним, во-вторых, требуется внесение изменений в существующую схему преобразователя. Другой путь — использовать существующий блок питания с выходом 5 В, а напряжение 3,3 В получать непосредственно на печатной плате устройства с помощью линейного стабилизатора (преобразователя) с малым падением напряжения (LDO). Этот способ требует незначительной доработки устройства и несущественно увеличивает стоимость устройства. Линейные стабилизаторы не используют импульсное преобразование входного напряжения питания и поэтому обладают низким уровнем шумов, что устраняет проблему электромагнитной совместимости элементов устройства. Линейные стабилизаторы практически не вносят дополнительной задержки в обеспечении электропитанием при включении. При использовании линейных стабилизаторов в маломощных устройствах не возникает проблем с отводом тепла от ИС, однако при увеличении токов до 3 А и более требуются дополнительные меры для обеспечения рабочего температурного режима стабилизатора. Эта статья помогает сориентироваться в широкой номенклатуре линейных стабилизаторов компании Micrel (от простых трехвыводных стабилизаторов до стабилизаторов с пятью выводами с расширенным функциональным набором), приводит необходимые формулы и примеры вычислений значений параметров стабилизаторов, предлагает широкий выбор радиаторов при решении задачи преобразования напряжения питания с 5 в 3,3 В при токе 5 А. Дополнительно рассматривается такой прием, как последовательное подключение резистора для уменьшения рассеиваемой мощности на стабилизаторе.

Зачем использовать линейные стабилизаторы с дополнительными выводами?

Для чего служат дополнительные выводы в пяти-выводных линейных стабилизаторах? Для выполнения своего функционального назначения линейному стабилизатору нужно три вывода: входное (питающее) напряжение, выходное напряжение и «земля». Схемы с пятью выводами позволяют разработчику осуществлять контроль величины выходного стабилизированного напряжения и включать или выключать стабилизатор для уменьшения потребления электропитания. Напряжение питания контролируется по состоянию флага сбоя. Когда выходное напряжение находится в пределах нескольких процентов от установленной величины, уровень флага высокий и указывает на то, что уровень входного напряжения питания достаточен для работы стабилизатора. (Выход флага сбоя имеет открытый коллектор, поэтому требуется использовать подтягивающий резистор на шину питания.) Если уровень выходного напряжения падает из-за низкого входного напряжения или при превышении тока в нагрузке величины, на которую рассчитан стабилизатор, флаг устанавливается в низкое состояние и указывает на сбой по питанию. Контроллер может проверить состояние флага и принять решение относительно готовности электропитания. При включении питания кратковременно флаг имеет уровень, близкий к напряжению питания, но как только входное напряжение достигнет 2 В, флаг установится в низкий уровень. Он останется в состоянии с низким логическим уровнем, пока на выходе регулятора не установится требуемое значение напряжения. У семейства MIC29150 флаг установится в высокий уровень, когда выходное напряжение достигнет 97% установленной для стабилизатора величины. При 3,3 В флаг укажет «электропитание в норме», когда U_ВЫХ = 3,2 В.

Второй из дополнительных выводов обеспечивает перевод ИС в «спящий» режим для эффективного использования электроэнергии. Этот вывод (ENABLE) у семейства MIC29150 5 В и 3,3 В является ТТЛ/КМОП-совместимым. Когда на этот вывод подан логический сигнал величиной не менее 2,4 В, ИС активизирована. Когда на вывод ENABLE подается логический сигнал с низким уровнем, вся внутренняя электрическая схема ИС отключается. (Ток потребления не превышает нескольких микроампер.)

Рис. 1. Реализация напряжения питания 3,3 В при наличии питания 5 В

Линейные стабилизаторы с тремя функциональными выводами используются, если нет необходимости отключать стабилизированное выходное напряжение для обеспечения энергосберегающего режима и не используется информация флага сбоя, то есть нет необходимости контроля качества выходного напряжения, получаемого от линейного стабилизатора. Для работы линейных стабилизаторов с тремя функциональными выводами требуется только один фильтрующий конденсатор на выводе выходного напряжения, поэтому от разработчика требуется минимум усилий (см. рис. 1).

Линейные стабилизаторы с пятью выводами функционально аналогичны трехвывод-ным, но имеют дополнительные служебные функции: контроль значения выходного стабилизированного напряжения и переключение ИС в энергосберегающий режим.

Тепловой расчет

Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения компании Micrel просты в применении. Во многих случаях не требуется дополнительных решений по обеспечению отвода тепла от ИС, выделяемому при работе стабилизатором. Это возможно благодаря характеристикам линейных стабилизаторов Micrel, имеющим типовое падение напряжения на ИС менее 300 мВ. При малых токах мощность рассеивания мала и поэтому для обеспечения рабочего температурного режима не требуется применения радиаторов. Однако при значительных токах (1 А и более) очень важно правильно выбрать радиатор для отвода тепла, образовавшегося при рассеивании мощности на кристалле линейного стабилизатора. Расчет мощности рассеивания производится по следующей формуле: где P_D — мощность рассеивания стабилизатора, U_IN — входное напряжение, подаваемое на стабилизатор, U_out — выходное напряжение стабилизатора, I_out — выходной ток стабилизатора, I_GND — собственный ток потребления стабилизатора.

Примечания: 1. Семейство линейных стабилизаторов MIC29150, MIC29300 и MIC29500 имеют типовой допуск ±1% на отклонение выходного стабилизированного напряжения. При неблагоприятных условиях эксплуатации (на границе рабочего температурного диапазона или при значительных колебаниях входного напряжения) значение выходного напряжения может отклоняться от требуемого до ±2%. 2. Монтажный контакт у корпуса ТО-220 не изолирован от вывода «земли» (GND). Поэтому значение qCS входит в значение термосопротивления радиатора (qSA).

При расчете параметров схемы следует выбирать наихудшие условия эксплуатации. На основании формулы 1 наихудшими условиями будут:

P_D = (5,25-3,234)х5+5,25х0,08 = 10,5 Вт

Получив все необходимые данные, вычисляем термосопротивление (9_SA) требуемого радиатора, используя следующую формулу: где: 8_SA — термосопротивление радиатора, P_D — мощность рассеивания стабилизатора, Tj — максимально допустимая температура корпуса ИС, TA — максимально возможная в данных условиях эксплуатации температура окружающей среды, 8j_c — собственное (без радиатора) термосопротивление корпуса, 8_CS — термосопротивление выводов ИС, установленной на печатную плату.

Рассмотрим линейный стабилизатор в популярном корпусе ТО-220. Максимально допустимая температура разогрева корпуса ТО-220 +125 °C, термосопротивление корпуса (8j_c) 2 °С/Вт, термосопротивление выводов² (8_CS) 1 °С/Вт. Для нашего примера возьмем значение температуры окружающей среды +50 °С.

Выполнив аналогичные вычисления для значений выходных токов 1,25 A; 1,5 A; 2 A; 2,5 A; 3 A и 4 A получим результаты, приведенные в таблице 1.

Таблица 2 показывает, как зависит теплоотдача радиатора от температуры окружающей среды. Уменьшение термосопротивления радиатора требует значительного увеличения его размеров. Таблица 2 наглядно показывает, насколько важно правильно выбрать температуру окружающей среды, чтобы минимизировать по размерам систему охлаждения.

Таблица 1. Необходимое термосопротивление радиатора в зависимости от мощности рассеивания при преобразовании напряжения питания 5 В в 3,3 В

Таблица 2. Зависимость термосопротивления радиатора от температуры окружающей среды

Выбор радиатора

Эта информация позволит нам определить требования к радиатору для линейного стабилизатора. Наихудшие условия эксплуатации — неподвижный воздух (естественная конвекция). Радиатор должен устанавливаться так, чтобы оставалось по крайней мере 6 мм между радиатором и другими компонентами или корпусом устройства. Термические свойства радиатора улучшаются, если естественное вертикальное движение теплого воздуха направляется вдоль длинной стороны ребер радиатора и охватывает максимальную площадь поверхности.

Если мы имеем движущийся воздушный поток, есть возможность уменьшить размеры радиатора или выбрать радиатор из более дешевого материала с меньшей теплоотдачей. Как и в случае с естественной конвекцией, требуется пространство для прохождения воздушного потока. Ребра радиатора должны располагаться так, чтобы воздушный поток проходил вдоль них. Ориентация по вертикали при принудительном обдуве не важна, так как обычно принудительная конвекция преобладает над естественной.

Рассмотрим, как влияет скорость воздушного потока на выбор радиатора для двух значений выходного тока: 1,5 А и 5 А. Из таблицы 3 видно, как скорость воздушного потока влияет на размеры и массу радиаторов.

Радиаторы для стабилизаторов 5 А при отсутствии принудительного обдува имеют большие размеры и стоимость. Есть более совершенный путь решения проблемы с теп-лоотводом. Надо использовать линейные стабилизаторы со сверхмалым падением напряжения, такие как Super Beta PNP™ компании Micrel с последовательно включенным на выводе входного напряжения резистором, что позволяет часть мощности рассеивать не на ИС, а на резисторе. Распределяя разность входного и выходного напряжений (U_out — Uin) между дешевым резистором и стабилизатором, мы таким образом распределяем между ними мощность, ранее рассеиваемую только на стабилизаторе, тем самым уменьшая нагрев ИС, а следовательно, и размер радиатора. Зная неблагоприятные условия эксплуатации по напряжению и максимальные требования к стабилизатору по выходному току, выбираем резистор, на котором будет падать часть избыточного входного напряжения, не оказывая отрицательного влияния на выходные характеристики стабилизатора. Максимальное значение резистора рассчитывается по следующей формуле: где: R_MAX — максимальное сопротивление дополнительного резистора, U_inmin — минимальное входное напряжение, при котором стабилизатор обеспечивает выходное напряжение с установленной точностью, для нашего случая 5 В — 5% = 4,75 В, U_out _max — максимальное выходное напряжение, которое указанно в техническом описании, 3,3 В + 2% = 3,366 В, U_domax — максимально возможное падение напряжения у рассматриваемых стабилизаторов 600 мВ, I_out _max — максимальный выходной ток, I_GND — собственный ток потребления стабилизатора при I_out _max (см. data sheet). Для стабилизатора 5 А получаем:

Таблица 3. Радиаторы для стабилизаторов 1,5 А и 5 А

Таблица 4. Радиаторы для стабилизатора 5 А при T_A = 50 °С, R = 0,15 Ом, θ_SA = 8,3 °С/Вт

<img src=”https://kit-e.ru/wp-content/uploads/74t4. png” alt=”Таблица 4. Радиаторы для стабилизатора 5 А при T_A = 50 °С, R = 0,15 Ом, θ_SA = 8,3 °С/Вт» title=»» width=»381″ height=»620″>

Рис. 2. Реализация схемы линейного стабилизатора с последовательно включенным резистором

Мощность, рассеиваемая на этом резисторе, рассчитывается по формуле:

Для рассматриваемого случая мощность, рассеиваемая на резисторе, будет равна 4 Вт. Таким образом, теперь на стабилизаторе рассеивается не 10,5 Вт, как было рассчитано ранее, а только 6,5 Вт. Мощность, рассеиваемая на стабилизаторе в схеме с последовательным резистором, рассчитывается по следующей формуле: где: P_DRegulator — мощность рассеивания стабилизатора, P_DR=₀ — мощность рассеивания стабилизатора без использования резистора, P_DRES — мощность рассеивания последовательно включенного резистора.

Наиболее часто используют резисторы с допуском 5%, поэтому, выбирая резистор из стандартного ряда, необходимо учитывать, что он не должен превышать максимальное значение резистора (3). То есть R_MAX > R + 5%. Так же необходимо учесть, что в этом случае на резисторе будет рассеиваться меньшая мощность, так как при наихудших условиях (R — 5%), исходя из формулы 4, получаем меньшее значение P_DRES. Поэтому на стабилизаторе будет рассеиваться большая мощность, чем в идеальном случае. Благодаря последовательно включенному резистору получаем большее термосопротивление радиатора (8_SA) (2) и можем уменьшить его размеры. Подставив в формулу (2) полученное значение P_DRegui_ator, получаем θ_SA = 8,3 °С, что более чем в два раза лучше, чем в схеме без последовательно включенного резистора. Таблица 4 предоставляет радиаторы для рассмотренного случая при разных значениях скорости воздушного потока.

Для стабилизатора, обеспечивающего устройство выходным током не более 1,5 А (MIC29150), получаем R = 0,512 Ом. При использовании стандартного значения резистора 0,51 Ом на нем рассеивается 1,1 Вт, тем самым линейному стабилизатору остается рассеять мощность 2,1 Вт, а для таких значений мощности рассеяния радиатор не требуется (см. рис. 2).

Существует еще один способ решения проблемы отвода тепла от ИС для схем с небольшим током потребления. Стабилизаторы MIC29150 и MIC29300 в корпусах ТО-220 и ТО-263 устанавливаются непосредственно на печатную плату, и функцию радиатора исполняют медные проводники платы. Для более подробной информации обращайтесь к рекомендации по применению № 17 компании Micrel «P.C. Board Heat Sinking)).

Более подробную информацию можно найти на сайте компании Micrel www.micrel.com.

LM317 регулируемый линейный регулятор напряжения, модуль питания, понижающий преобразователь напряжения от 4,2 до 40 В до 1,2 37 в, понижающий преобразователь напряжения|Регуляторы напряж./стабилизаторы|

информация о продукте

Характеристики товара

• Название бренда: Aideepen
• Тип тока: DC
• Применение: LM317 Adjustable Voltage Regulator
• Номер модели: LM317 Adjustable Voltage Regulator
• Фаза: Однофазный
• Индивидуальное изготовление: Да
• 2 ~ 40 V”> Voltage Input: 4.2 ~ 40 V
• Current output: 1.5A

Линейный регулятор напряжения принцип работы

Для подключения модулей к платформе нужно стабильное напряжение 5 или 3,3 вольта, но в большинстве случаев напряжение оказывается выше. Для того, чтобы всё работало правильно, напряжение нужно понизить и стабилизировать.

Линейный регулятор напряжения поможет получить нужные 3,3 В для питания управляющих платформ и модулей, а лишнюю мощность рассеять в виде тепла.

Видеообзор

Общие сведения

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования напряжения для электрических потребителей:

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции и работают по разным технологиям.

Линейные регуляторы напряжения

Линейный регулятор применяется, когда нужно преобразовать небольшие мощности или минимизировать помехи. Например, запитать одноплатный компьютер или 3,3-вольтовые датчики. Преимущество линейного регулятора в простоте, отсутствии помех и минимальной обвязке. Но на больших мощностях его КПД падает.

Рассмотрим принцип работы линейного преобразователя — подключим к нему микросхему LM7805.

Линейный стабилизатор работает как умный делитель напряжения. На вход делителя подаётся входное напряжение, а выходное снимается с одного из плеч делителя.

Одно из плеч постоянно корректирует сопротивление и тем самым гасит лишнее напряжение.

Импульсный DC-DC преобразователь

У импульсного стабилизатора выше КПД, поскольку регулирующий элемент работает в ключевом режиме. Но из-за чувствительного перепада тока и напряжения такие преобразователи дают импульсные помехи в выходном напряжении.

Чтобы лучше понять принцип работы импульсного преобразователя, сравним его с водопроводным краном. У преобразователя так же, как и у крана, есть три вывода. По одному вода поступает в кран, по другому — вытекает. Третий вывод — это вентиль, который управляет потоком воды. Когда вентиль открыт, вода протекает через кран, когда закрыт — вода не течёт. По такому же принципу работает преобразователь: ток течёт, когда транзистор открыт, и не течёт, когда транзистор закрыт. Такой режим работы называют ключевым.

В состав импульсного регулятора напряжения входят пять основных элементов:

В зависимости от величины выходного напряжения по отношению ко входному различают три типа преобразователей: понижающий, повышающий и понижающе-повышающий. Самые распространённые первые два, рассмотрим их подробнее.

Понижающий преобразователя уменьшает входное напряжение.

При открытом ключе S1 диод VD1 закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии L1 . При закрытом ключе запасённая энергия передается в сопротивление нагрузки RH индуктивным накопителем через диод. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий преобразователя увеличивает входное напряжение.

При открытом ключе S1 ток от источника питания протекает через катушку индуктивности L1 , в которой запасается энергия. Цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии.

Напряжение на сопротивлении нагрузки RH поддерживается благодаря запасённой энергии на конденсаторе фильтра C1 . При размыкании ключа S1 накопленная энергия на катушке суммируется с напряжением питания и передается в нагрузку через открытый диод VD1 . Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания.

Примеры работы

Линейный регулятор преобразует входное повышенное напряжение в диапазоне от 4,3 до 20 вольт в стабильные 3,3 вольта.

Подключение миникомпьютеров

Линейный регулятор поможет запитать одноплатник внешним источником напряжения. В качестве примера подключим Onion Omega2 от импульсного источника с выходным напряжением 12 вольт.

Подключение модулей

Стабилизатор также возьмёт на свои плечи питание для 3,3 вольтовых модулей, например Wi-Fi ESP8266 или модуль беспроводной связи nRF24L01+.

На контактных колодках Arduino расположен пин 3V3 . Многие ошибочно запитывают от этого пина модули с 3,3 вольтовой логикой. Этого делать категорически нельзя. На большинстве плат Arduino стоит слабенький регулятор напряжения с током всего на 50 мА. Такой силы хватит только на парочку светодиодов.

В качестве примера подключим Wi-Fi модуль ESP8266 через линейный регулятор напряжения к Arduino Uno.

На схеме к ESP8266 подключены только линии питания и земли. Пример подключения питания и логических уровней читайте в технической документации на модуль.

Подключение к WiFi Slot

Линейный регулятор благодаря форм-фактору Troyka-модулей как родной встанет на платформу WiFi Slot и расширит диапазон питания платформы до 20 вольт.

Элементы платы

Линейный регулятор напряжения

Сердце модуля линейный стабилизатор MC33269. Регулятор принимает на входное напряжение и преобразует его значение в 3,3 вольта. Остальная мощность рассеивается в виде тепла. В качестве охлаждения — выступает плата модуля.

Входное и выходное напряжение

На модуле выведен двойной клеммник для подключения входного питания и нагрузки:

Джамперы выбора питания

Модуль с регулятором питания позволяет дублировать входное и выходное напряжение на Troyka-контактах путём установкой джаммеров:

Установка джампера будет полезна при подключении модуля через макетную плату или Troyka Slot Shield.

Troyka-контакты

На модуле выведено две пары Troyka-контактов.

Существует два ос­новных типа регуляторов напряже­ния: линейные и импульсные. Клас­сический линейный регулятор — это устройство, стабилизирующее напряжение на нагрузке и не позво­ляющее добиться выходного напря­жения, превышающего входное. Его классическая схема рассмотрена в теме 10.6 (рис. 89). Для большинства инте­гральных линейных регуляторов типовое внутреннее падение напря­жения составляет порядка 2 В. Это означает, что для получения на вы­ходе такого регулятора напряжения 5 В на его входе должно быть не ме­нее 7 В. Следствием достаточно большого падения напряжения па элементах линейного регулятора является их низкий КПД. Ещё одной серьёзной проблемой линейных регуляторов является вы­сокая вероятность выхода из строя проходного транзистора.

Современные импульсные регуля­торы практически избавлены от пе­речисленных недостатков и поэтому получили широкое распростране­ние. В отличие от линейных регулято­ров, чьи силовые элементы постоян­но находятся в открытом состоянии, в импульсных силовой элемент рабо­тает в дискретном (ключевом) режи­ме.

На рисунке 92 изображен линейный регулятор для плавной регулировки сетевого напряжения. С помощью таких устройств можно управлять яркостью свечения ламп, температурой электронагревательных приборов, частотой вращения электродвигателей.

Устройство имеет следующие параметры: диапазон регулировки напряжения от 0 до 218 В, максимальная мощность нагрузки при использовании в регулирующей цепи одного транзистора — не более 100 Вт.

Регулирующий элемент прибора — транзистор VT1. Диодный блок VD1-VD4 в зависимости от фазы сетевого тока направляет его на коллектор или эмиттер VT1. Трансформатор Т1 понижает напряжение 220 В до 5-8 В, которое выпрямляется диодным блоком VD6 — VD9 и сглаживается конденсатором С1. Переменный резистор R1 служит для регулировки величины управляющего напряжения, а резистор R2 ограничивает ток базы транзистора. Диод VD5 защищает VT1 от попадания на его базу напряжения отрицательной полярности. Устройство подсоединяется к сети вилкой ХР1. Розетка XS1 служит для подключения нагрузки.

Регулятор действует следующим образом. После включения питания тумблером Q1 сетевое напряжение поступает одновременно на диоды VD1, VD2 и первичную обмотку трансформатора Т1. При этом выпрямитель, состоящий из диодного блока VD6-VD9, конденсатора С1 и переменного резистора R1, формирует управляющее напряжение, которое поступает на базу транзистора и открывает его. Если в момент включения регулятора в сети оказалось напряжение отрицательной полярности, ток нагрузки протекает по цепи VD2 — эмиттер-коллектор VT1-VD3. Если полярность сетевого напряжения положительная, ток протекает по цепи VD1 — коллектор-эмиттер VT1-VD4. Значение тока нагрузки зависит от величины управляющего напряжения на базе VT1. Вращая движок R1, и изменяя значение управляющего напряжения, управляют величиной тока коллектора VT1. Этот ток, а следовательно, и ток, протекающий в нагрузке, будет тем больше, чем выше уровень управляющего напряжения, и наоборот. При крайнем правом по схеме положении движка переменного резистора транзистор окажется полностью открыт и “доза” электроэнергии, потребляемая нагрузкой, будет соответствовать номинальной величине. Если движок R1 переместить в крайнее левое положение, VT1 окажется запертым и ток через нагрузку не потечет.

Рисунок 92 – Схема регулятора сетевого напряжения

Структурная схема импульсного преобразователя приведена па ри­сунке 93. Наиболее часто применяе­мый принцип работы — широтно-импульсная модуляция (Pulse Width Modulation, PWM). В импульсных регуляторах, построенных по данному принципу, выходное напряжение пропорцио­нально скважности импульсов, зада­ваемой блоком PWM.

Одно из основных следствий ра­боты в ключевом режиме — малое выделение энергии в виде тепла и, следовательно, потенциально высокий КПД подобных устройств. Габа­риты конструкции напрямую зави­сят от рабочей частоты инвертора. Чем она выше, тем меньшей индук­тивности требуется дроссель и меньшей ёмкости — выходной кон­денсатор, а значит, эти наиболее громоздкие элементы будут ком­пактнее.

Рисунок 93 – Структура импульсного преобразователя

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Texas Instruments TPS54061 LM317

Rich Nowakowski, Robert Taylor, Texas Instruments

Analog Applications Journal

Линейные регуляторы окружали нас на протяжении многих лет. Некоторые разработчики до сих пор используют в новых проектах линейные стабилизаторы напряжения, разработанные более двух десятилетий назад. А кто-то создал собственные схемы на дискретных компонентах. По простоте и дешевизне линейные регуляторы не имеют себе равных в сфере преобразователей напряжения. Однако в слаботочных приложениях с питанием от шины 24 В, используемой, например, в средствах промышленной автоматизации или в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, при слишком большом падении напряжения могут возникнуть проблемы, связанные с выделением тепла. К счастью, разработчикам теперь доступны разнообразные компактные, высокоэффективные импульсные регуляторы с широким диапазоном входных напряжений.

В предлагаемой статье сравниваются три различных подхода к созданию стабилизатора напряжения с выходным напряжением 5 В и максимальным током нагрузки 100 мА, получающего питание от шины 24 В. Синхронный понижающий преобразователь сравнивается с интегральным линейным регулятором и с линейным регулятором на дискретных элементах. Сравнение размеров, КПД, тепловых характеристик, переходных характеристик, шумов, сложности схемы и ее стоимости поможет конструкторам сделать выбор варианта, наилучшим образом отвечающего требованием конкретного приложения.

Условия сравнения

Рисунок 1.	Импульсный понижающий регулятор с интегрированными MOSFET.

Напряжение 5 В требуется в большинстве промышленных приложений, использующих шину 24 В, для питания, например, логических схем и низковольтных микропроцессоров. Ток 100 мА был выбран как достаточный для большинства подобных нагрузок. Однако на принятие решения о выборе импульсного или линейного регулятора может повлиять уровень рассеиваемой мощности. Изображенные на Рисунках 1, 2 и 3 схемы собраны на общей печатной плате с использованием абсолютно одинаковых конденсаторов емкостью 1 мкФ на входе и 4.7 мкФ на выходе.

Рисунок 2.	Интегральный линейный регулятор с широким диапазоном входных напряжений.

В схеме на Рисунке 1 используется выпускаемый Texas Instruments синхронный понижающий преобразователь TPS54061 с интегрированными силовыми MOSFET. Заметим, что этой схеме не требуется фиксирующий диод, но нужны индуктивность, пять конденсаторов и четыре резистора, часть из которых устанавливается в цепь частотной компенсации петли ОС. Схема настроена таким образом, чтобы в ней можно было использовать такие же входные и выходные конденсаторы, как и в линейных схемах, изображенных на Рисунках 2 и 3.

Рисунок 3.	Дискретный линейный регулятор.

Конструкция, изображенная на Рисунке 2, основана на популярном, давно ставшим стандартом отрасли линейном стабилизаторе LM317 с широким диапазоном входных напряжений и выходным током до 1.5 А. В схеме использованы два внешних резистора и два конденсатора. Существенное различие между входным и выходным напряжениями и, соответственно, большая рассеваемая мощность, требуют использования микросхемы в корпусе с низким тепловым сопротивлением (DDPak).

Для реализации схемы на дискретных приборах, показанной на Рисунке 3, требуются транзистор, стабилитрон, два внешних конденсатора и четыре резистора. Стабилитрон с напряжением пробоя 5.6 В подключен к базе NPN транзистора. Падение на переходе база-эмиттер уменьшает выходное стабилизированное напряжение примерно до 5 В. Внешние резисторы принимают на себя рассеяние части избыточной мощности, облегчая тепловой режим транзистора.

Таблица 1 позволяет сравнить три конструкции по количеству используемых компонентов и необходимой площади печатной платы.

Линейный стабилизатор отрицательного напряжения со сверхнизким уровнем шума и сверхвысоким PSRR

Архитектура микросхемы линейного стабилизатора LT3094, основанная на опорном токе и применяемая в системах с переменным выходным напряжением, позволяет контролировать уровень шума и производительность PSRR независимо от уровня выходного напряжения.

Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO) широко используются в чувствительных к шуму устройствах на протяжении десятилетий. В то же время современные требования к уровню шума становятся все более жесткими. Новейшие прецизионные датчики, высокоскоростные АЦП и ЦАП с высоким разрешением, а также синтезаторы частоты (ФАПЧ/ГУН) требуют от обычных стабилизаторов LDO обеспечения сверхнизкого уровня шумов на выходе и сверхвысокого коэффициента подавления пульсаций питания (PSRR).

Например, при питании датчика шум источника напрямую влияет на точность результата измерения. Импульсные стабилизаторы часто используются в системах распределения электроэнергии для достижения более высокой общей эффективности системы. При разработке бесшумного источника питания стабилизаторы LDO обычно выполняют роль пострегулятора выходного сигнала относительно шумного импульсного преобразователя, что позволяет отказаться от использования громоздких выходных фильтрующих конденсаторов. В этом случае высокочастотный показатель PSRR стабилизатора LDO становится важной характеристикой.

LT3042, представленный в 2015 году, стал первым в отрасли линейным стабилизатором со среднеквадратичным выходным шумом 0,8 мкВ и PSRR 79 дБ на частоте 1 МГц. Две похожие микросхемы, – LT3045 и LT3045-1, – обладают еще более эффективными показателями PSRR и дополнительными функциями. Все эти микросхемы являются LDO-стабилизаторами положительного напряжения. Если в системе имеются биполярные элементы, например, операционные усилители или АЦП, в конструкции источника питания знакопеременной полярности должен использоваться LDO-стабилизатор отрицательного напряжения. LT3094 заявлен как первый LDO-стабилизатор отрицательного напряжения со сверхнизкими показателями уровня шума на выходе и сверхвысоким коэффициентом PSRR. В таблице 1 перечислены основные характеристики LT3094 и связанных с ним элементов.

Таблица 1. Характеристики LT3094 и прочих LDO-стабилизаторов с малым уровнем шума

Наименование	LT3015	LT3090	LT3042	LT3045-1	LT3094
Выход	Отрицательный	Отрицательный	Положительный	Положительный	Отрицательный
Ток на выходе, А	1,5	0,6	0,2	0,5	0,5
Уровень шума на выходе при 0,01…100 кГц, мкВ	60	18	0,8	0,8	0,8
Уровень шума при 10 кГц, мкВ/ÖГц	240	57	2	2	2
PSRR при 1 МГц, дБ	30	20	79	76	74
Программируемый предел тока	–	+	+	+	+
Программируемая корректность уровня выходного напряжения	–	–	+	+	+
Управление входным и выходным напряжением	–	–	–	+	+
Поддержка параллельности	–	+	+	+	+
Возможность быстрого запуска	–	–	+	+	+

Стандартное применение

LT3094 содержит прецизионный источник опорного тока, за которым расположен высокопроизводительный выходной буфер. Отрицательное выходное напряжение устанавливается с помощью опорного тока −100 мкА, протекающего через один резистор. Такая архитектура на основе опорного тока позволяет получить широкий диапазон выходного напряжения (0…−19,5 В) и обеспечивает практически постоянный уровень выходного шума, PSRR и стабилизацию выходного напряжения вне зависимости от его запрограммированного значения. На рисунке 1 показана стандартная схема применения компонента, а на рисунке 2 – демонстрационная плата. Размер решения составляет всего лишь 10×10 мм.

Рис. 1. Решение с низким уровнем шума при выходном напряжении -3,3 В

Рис. 2. Демонстрационная плата миниатюрного решения на -3,3 В

LT3094 обеспечивает сверхмалый уровень шума на выходе — 0,8 мкВ среднеквадратичного значения в частотном промежутке от 10 Гц до 100 кГц, и сверхвысокий коэффициент PSRR — 74 дБ при 1 МГц. Кроме того, LT3094 позволяет задавать предел уровня тока, порог уровня выходного напряжения, обладает возможностью быстрого запуска и функцией программируемого управления входным и выходным напряжением (VIOC). Когда LT3094 стабилизирует напряжение на выходе импульсного преобразователя, то при изменении выходного напряжения стабилизатора LDO напряжение на стабилизаторе LDO остается постоянным за счет работы функции VIOC.

LT3094 предотвращает повреждения благодаря внутренней защите, в том числе внутреннему ограничению тока с обратной связью, ограничению по тепловой нагрузке, обратному току и обратному напряжению.

Прямое распараллеливание для повышения уровня тока

Стабилизатор LT3094 может быть подключен параллельно для увеличения выходного тока. На рисунке 3 показано решение с использованием двух LT3094, подключенных параллельно, для достижения значения выходного тока 1 A. Для параллельного подключения двух микросхем контакты SET следует соединить друг с другом, а между контактом SET и землей необходимо поместить резистор R_SET. Ток, протекающий через R_SET, составляет 200 мкА, что вдвое больше значения тока SET на одном элементе. Для лучшего распределения тока на выходе каждого LT3094 устанавливается небольшой балластный резистор 20 мОм.

Рис. 3. Схема двух параллельных LT3094

На рисунке 4 показаны тепловые характеристики схемы, представленной на рисунке 3, со входным напряжением –5 В и выходным напряжением –3,3 В при токе нагрузки 1 А. Температура каждой части поднимается примерно до 50°C, что свидетельствует о равномерном распределении тепла. Ограничений на количество микросхем, которые могут быть подключены параллельно для получения высокого выходного тока и низкого уровня шума, нет.

Рис. 4. Тепловое изображение двух параллельных LT3094

Источник двухполярного питания с переменным выходным напряжением

Блок питания обычно состоит из импульсного преобразователя, выходной сигнал которого стабилизируется LDO-стабилизатором для достижения низкого уровня выходного шума и высокой эффективности системы. Оптимизированная разность напряжений между входом и выходом стабилизатора LDO составляет около –1 В, что позволяет поддерживать оптимальный баланс между рассеиванием мощности и PSRR. В системе с переменным выходным напряжением становится сложно поддерживать такую разность напряжений, однако LT3094 имеет функцию отслеживания (VIOC), которая позволяет поддерживать постоянное напряжение на стабилизаторе LDO даже при изменении выходного напряжения.

Рис. 5. Регулируемый двухполярный источник питания отличается высокой степенью подавления пульсаций и низкой температурой работы

На рисунке 5 показана схема двухполярного источника питания с использованием LT8582, LT3045-1 и LT3094. Микросхема LT8582 представляет собой двухканальный ШИМ-преобразователь постоянного тока со встроенными ключами, который может генерировать как положительное, так и отрицательное выходное напряжение от одного входного сигнала. Первый канал LT8582 сконфигурирован как SEPIC для генерации положительного выходного напряжения, а второй играет роль инвертирующего преобразователя для создания отрицательной шины. На отрицательной шине напряжение на LT3094 контролируется напряжением VIOC (формула 1):

где V_FBX2 = 0 мВ, а I_FBX = 83,3 мкА. При выборе сопротивления R2 номиналом 14,7 кОм напряжение VIOC устанавливается на уровне на 1,23 В выше переменного выходного напряжения. Резистор R1 (со значением 133 кОм) ограничивает входное напряжение LT3094 до 16,5 В, что определяется по формуле 2:

 

Тепловые изображения схемы, работающей при величине входного напряжения в 12 В, показаны на рисунке 6.

Рис. 6. Тепловое изображение двухполярного источника питания со входным напряжением 12 В

При изменении выходного напряжения с ±3,3 В до ±12 В температура LT3094 остается постоянной. В таблице 2 перечислены напряжение и ток для всех трех микросхем. На рисунке 7 показана переходная характеристика источника питания ±5 В при входном напряжении 12 В.

Таблица 2. Характеристики цепи двухполярного источника питания со входным напряжением 12 В при нагрузке ±500 мА

VLDO(OUT), В	VLDO(IN), В	VDROP, В	Рост температуры LT3094, ºС	IIN, А	Эффективность системы, %
±3,3	±4,55	1,25	8	0,48	57
±5	±6,25	1,25	8	0,65	65
±12	±13,22	1,22	9C	1,25	78

 

Рис. 7. Переходная характеристика двухполярного источника питания с входным напряжением 12 В и выходным напряжением ± 5 В

На рисунке 5 показано, что размещение дополнительных конденсаторов на входе LT3094 не требуется (необходимы лишь выходные конденсаторы LT8582). Как правило, входной конденсатор уменьшает пульсации на выходе, однако в случае с LT3094 ситуация выглядит по-другому.

Если на входе LT3094 разместить конденсатор, то, проходя через такой входной конденсатор, переключающие токи от импульсного преобразователя приведут к возникновению индуктивной связи между импульсным преобразователем и выходом LT3094. Уровень шума на выходе увеличится, что снизит показатели PSRR. При условии, что импульсный стабилизатор располагается не далее пяти сантиметров от LT3094, для достижения наилучших характеристик PSRR рекомендуется не размещать конденсатор на входе LT3094.

Заключение

Микросхема LT3094 представляет собой LDO-стабилизатор отрицательного напряжения, обладающий сверхмалым уровнем шума и сверхвысоким коэффициентом PSRR. Архитектура микросхемы на основе опорного тока позволяет контролировать уровень шума и характеристики PSRR независимо от уровня выходного напряжения, что также дает возможность подключать несколько LT3094 параллельно для увеличения тока нагрузки и снижения выходного шума. Функция управления входным и выходным напряжениями (VIOC) минимизирует рассеяние мощности стабилизатора LDO в процессе стабилизации выходного сигнала импульсного преобразователя, что делает LT3094 идеальным решением для применения в системах с переменным выходным напряжением.

Линейный преобразователь тока в напряжение

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано при преобразовании сигнала входного электрического тока в выходной сигнал напряжения. Изобретение предполагается к использованию в составе схем радиоэлектронных устройств различного назначения, а также в составе функционального узла микросхем.

В современных электронных приборах все чаще для работы с аналоговыми сигналами активно применяется ЦОС (цифровая обработка сигналов). В свою очередь, применение ЦОС накладывает высокие требования к линейности на преобразователи АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь).

Современные микросхемы ЦАП, в основной своей массе, строятся по схеме коммутации источников тока (стр. 388-392 рис. 8.5 Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. 2-е издание. «Додэка» Москва 2007 г. Г.И. Волович), а результатом преобразования код-сигнала является выходной ток. Так как возникает необходимость иметь преобразованный сигнал в виде напряжения, то применяется электронная схема – узел ПТН (преобразователь ток в напряжение) как в составе микросхемы ЦАП, так и как внешняя схема для микросхемы ЦАП с токовым выходом. На узел ПТН накладываются очень жесткие требования по минимизации ошибок преобразования, поэтому вопрос совершенствования управляемых схем преобразователей электрического тока актуален.

Из известного уровня техники, управляемые источники и схемы преобразования полного сопротивления описаны в литературе достаточно подробно. В качестве преобразователя ток-напряжение широко применяется известная схема: источник напряжения, управляемый током (ИНУТ) описанная в различной литературе, к примеру, в опубликованном ранее источнике «Полупроводниковая схемотехника» (том 2, издание 12, изд. ДМК Москва, 2007, У. Титце, К. Шенк) Глава 12.2 стр. 72. Данная схема является наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату и выбрана за прототип.

Схема ПТН или ИНУТ (источника напряжения, управляемого током) показана на фиг. 1. Для схемы справедливы уравнения на низких частотах:

– – входное сопротивление схемы ПТН или ИНУТ (источника напряжения, управляемого током.

– – дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя А1.

– – выходное сопротивление операционного усилителя А1 (без ос).

– – входное сопротивление операционного усилителя А1.

– идеальная передаточная функция:

– входное сопротивление схемы при условии для оу А1 фиг. 1,

Данное техническое решение имеет ряд недостатков, которые не позволяют получить максимально возможную точность преобразования. Из уравнений для полного входного сопротивления очевидно, что при конечном A_D операционного усилителя А1 фиг. 1, невозможно достичь предельно минимального значения входного сопротивления т.к. в числителе уравнения присутствует сопротивление R фиг. 1, которое входит в цепь отрицательной обратной связи усилителя А1 фиг. 1, следовательно входное напряжение U1 не будет равно 0, а его значение будет складываться с полезным сигналом внося ошибку в результат преобразования. Для случая преобразования переменного тока ситуация усугубляется, т.к. входной импеданс схемы имеет комплексный характер, соответственно напряжение ошибки тоже будет иметь комплексный характер, что приведет к появлению целого спектра нелинейности в выходном сигнале.

Стоит отметить, что в случае ненулевого (недостаточно низкого) входного сопротивления схемы, появляются дополнительные ошибки, связанные с выходным сопротивлением источника тока, который подается на вход схемы ПТН, более подробно данная проблематика освещена в литературе, к примеру, в опубликованном ранее источнике Глава 12.2 стр. 72-73 «Полупроводниковая схемотехника» (том 2, издание 12, изд. ДМК Москва, 2007, У. Титце, К. Шенк).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является достижение более низкого входного сопротивления по сравнению со схемой прототипом и, как следствие, уменьшение ошибок преобразования и повышение линейности преобразования.

Указанный технический результат достигается за счет примененной схемотехники, по которой построен линейный преобразователь тока, включающий элементы электрической цепи источник напряжения, операционный усилитель, неинвертирующий усилитель, соединенные между собой, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов, вход которого подключен на выход операционного усилителя, а выход – с резистором и с инвертирующим входом операционного усилителя, и образует петлю отрицательной обратной связи по напряжению, ток для преобразования подается на выход н инвертирующего усилителя, а преобразованный сигнал напряжения снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя.

Термин «каскад» означает схему взаимного расположения (варианты) полевых и биполярных транзисторов и резисторов.

Резистор – компонент электронной аппаратуры, с помощью которого осуществляется регулирование и распределение электрической энергии между цепями и элементами схемы.

Транзисторы – радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, позволяющий выходным сигналом управлять электрическим током в цепи.

Операционный усилитель – усилитель постоянного и переменного тока с дифференциальным входом и, как правило, единственным выходом, имеющим высокий дифференциальный коэффициент усиления.

Неинвертирующий усилитель – вход «плюс».

ПТН – преобразователь тока в напряжение.

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь.

Сущность предлагаемого изобретения пояснена на фиг. 2 и фиг. 3, где на фиг. 2 показана принципиальная схема линейного преобразователя тока в напряжение, на фиг. 3 показана схема линейного преобразователя тока в напряжение с вариантом исполнения неинвертирующего усилителя. На фиг. 1 показана схема-аналог, принятая за прототип.

На фиг. 2 показана принципиальная схема предлагаемого изобретения. Основой схемы является операционный усилитель 1, выход которого подключен на вход неинвертирующего усилителя 2 (выполненного в виде каскада), при этом образуется петля отрицательной обратной связи по напряжению. Выход неинвертирующего усилителя 2 соединен с резистором 3 и со входом преобразователя 5 входного тока I₁. Резистор 3 и напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход 4 операционного усилителя 1, задают режим работы по току всего усилительного каскада 2. Источник напряжения на фиг. 2 показан 6, ток питания, протекающий через резистор 7 включает в себя ток, поступающий на вход преобразователя и преобразуется в напряжение, которое подается на выход 8.

Обратная связь это процесс передачи некоторой части усиленного сигнала с выхода каскада обратно на вход. Этот процесс, как правило, осуществляется при помощи цепей обратной связи. Согласно формуле изобретения образуется петля отрицательной обратной связи. Напряжение, снимаемое с выхода усилительного каскада, подается на его вход противофазно его входному напряжению.

Фактически схему ПТН фиг. 2 можно рассматривать как обычный усилитель по напряжению охваченный общей отрицательной обратной связью, с некоторым коэффициентом передачи Кп, в данном случае, равным 1. А неинвертирующий усилитель (2), можно рассматривать как выходной каскад получившегося усилителя, с той разницей, что вход ПТН является выходом усилителя, а выходной сигнал снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя (выходного каскада).

Режим работы неинвертирующего усилителя 2 на фиг. 2 и фиг. 3 (выполненного в виде каскада) задается сопротивлением R_1, формируемым резистором 3, и напряжением стабилизации U₃, которое подается на неинвертирующий вход 4 операционного усилителя 1. На входе преобразователем входного тока 5 поддерживается постоянное напряжение, численно равное значению U₃. и при этом обеспечивается низкое входное сопротивление за счет действия отрицательной обратной связи вне зависимости от входного тока, пока не исчерпаются возможности усиления по петле обратной связи.

Формулой изобретения предусмотрен признак «неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов». В данном случае предполагается использование разных вариантов соединений транзисторов (полевых, биполярных) и резисторов.

На фиг. 3 показана схема линейного преобразователя тока с вариантом исполнения неинвертирующего усилителя на транзисторах VT1 и VT2, где VT2 обозначен биполярный транзистор, VT1 – полевой транзистор, Rсм – резистор, использование Rсм необходимо для установки рабочей точки транзистора VT1. Применение полевого транзистора VT1 на входе каскада усиления позволяет получить очень высокое входное сопротивление неинвертирующего усилителя 2 на фиг. 2 и на фиг. 3. Такое включение полевого транзистора VT1 с биполярным транзистором VT2 позволяет получить каскад с высоким входным сопротивлением и высокой крутизной преобразования. Ничтожно малый ток затвора полевого транзистора позволяет минимизировать (исключить) влияние тока I₅ фиг. 2 фиг. 3 на результат преобразования

Для анализа предположим, что в неинвертирующем усилительном каскаде 2 фиг. 2 и фиг. 3 применяются полевые транзисторы на входе, при этом ток затвора полевого транзистора пренебрежительно мал, тогда ток питания неинвертирующего усилительного каскада I₄ равен выходному току I₃ неинвертирующего усилительного каскада 2 фиг. 2 фиг. 3. Следовательно, идеальная передаточная функция линейного преобразователя тока в напряжение, будет описана уравнением:

U₂=R₂I₄,

где I₄=I₃=I₁+I_2,

U₂=R₂(I₁+I₂)

Коэффициент преобразования по напряжению линейного преобразователя тока в напряжение определяется по формуле:

Этот коэффициент линейно зависит от сопротивления резистора 7 (R₂) и тока на входе преобразователя ток-напряжение I_1.

При этом входное сопротивление схемы ПТН можно выразить следующим уравнением:

, где

– выходное сопротивление неинвертирующего усилителя 2 фиг. 2 при разомкнутой петле отрицательной обратной связи схемы ПТН.

A_D – дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя 1;

– коэффициент усиления неинвертирующего усилительного каскада;

– общий коэффициент усиления;

Таким образом, подставив значения в формулу для определения входного сопротивления всей схемы, получим выражение:

При использовании схемы «классического» преобразования, показанной на фиг. 1 (прототип), R_вх определяется по формуле:

, где

A_D – дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя;

– выходное сопротивление операционного усилителя при разомкнутой общей отрицательной обратной связи.

Сравнивания два полученных выражения можно сделать вывод о том, что при прочих равных, т.е. когда коэффициент усиления схем численно равны а также выходное сопротивление неинвертирующего усилителя схемы предлагаемого ПТН, и выходное сопротивление операционного усилителя в схеме ПТН прототипа, равны , очевидно, что входное сопротивление предлагаемой схемы будет ниже, чем прототипа, т.к. в числителе уравнения для входного сопротивления отсутствует из цепей обратной связи R как в схеме прототипа.

Также стоит отметить, что низкое выходное сопротивление неинвертирующего усилителя получить значительно проще по сравнению со схемой прототипа за счет применения дискретных компонентов, что и продемонстрировано в схеме ПТН, изображенной на фиг. 3. Неинвертируемый усилительный каскад 2, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, обладает высокой крутизной преобразования, что непосредственно влияет на уменьшение выходного сопротивления каскада.

Следовательно, подтверждается возможность достижения заявленного технического результата.

Как указано выше, возможны варианты схем неинвертирующего усилительного каскада с использованием полевых и/или биполярных транзисторов. Использование биполярных транзисторов в схеме позволяют получить аналогичный эффект.

Как показала практика, использование предложенного изобретения позволяет снизить уровень нелинейных искажений, улучшить коррекцию частотной и фазовой характеристик, уменьшить входное сопротивление.

Использование каскадных усилителей, формирование обратной связи (как положительной, так и отрицательной) в уровне техники известно. Изобретательский уровень предлагаемого изобретения состоит в том, что используется отличная от классической схемы ПТН схемотехника. Для получения выходного сигнала в виде напряжения используется ток питания неинвертирующего усилительного каскада, в котором содержится ток входного сигнала, который подается на выход неинвертирующего усилительного каскада (вход ПТН). Нелинейности, вносимые неинвертирующим усилительным каскадом и операционным усилителем, устраняются за счет применения петли отрицательной обратной связи по напряжению, также за счет отрицательной обратной связи обеспечивается низкое входное сопротивление.

Признаки формулы изобретения являются существенными и позволяют обеспечить заявленный технический результат: достижение более низкого входного сопротивления по сравнению со схемой-прототипом и, как следствие, уменьшение ошибок преобразования и повышение линейности преобразования

Линейный преобразователь тока в напряжение, включающий элементы электрической цепи, источник напряжения, операционный усилитель, неинвертирующий усилитель, соединенные между собой, отличающийся тем, что неинвертирующий усилитель выполнен в виде усиленного каскада радиоэлектронных компонентов из полупроводниковых материалов, вход которого подключен на выход операционного усилителя, а выход соединен с резистором и инвертирующим входом операционного усилителя, и образует петлю отрицательной обратной связи по напряжению, ток для преобразования подается на выход неинвертирующего усилителя, а преобразованный сигнал напряжения снимается с резистора в цепи питания неинвертирующего усилителя.



Линейные стабилизаторы напряжения

для преобразователей постоянного тока в постоянный

Выходная пульсация стандартного изолированного преобразователя постоянного тока составляет от 0,5% до 1% от его номинального выходного напряжения. Для приложений, требующих более низких пульсаций на выходе, линейные регуляторы напряжения могут снизить пульсации или шум на выходе преобразователя до нескольких милливольт или даже микровольт.

На рис. 1 показана блок-схема типичного изолированного обратноходового преобразователя постоянного тока, за которым следует линейный стабилизатор с малым падением напряжения. На выходе преобразователя постоянного тока C _O1 обеспечивает грубую фильтрацию выходного сигнала и накопление энергии, в то время как L _O и C _O2 образуют фильтр нижних частот, который выполняет тонкую фильтрацию на выходе.

Очевидно, что выход линейного регулятора ниже, чем выход преобразователя, по крайней мере, на величину падения напряжения линейного регулятора. В Fig. 1 как обратный преобразователь, так и линейный регулятор имеют клемму регулировки выхода. Любой терминал может использоваться для установки требуемых напряжений V _O1 , V _O2 для правильной работы системы.

В установившихся условиях (постоянная линия и нагрузка) вы можете настроить V _O1 на V _O1 = V _O2 + ΔV, где ΔV – это падение напряжения линейного регулятора.При комнатной температуре система будет работать нормально, но она может выйти из режима регулирования при превышении своей рабочей температуры, если температурный коэффициент (TC) опорного напряжения в преобразователе и линейном регуляторе не отслеживается.

При переходных процессах нагрузки система также может выйти из режима регулирования, особенно когда выход преобразователя установлен выше, чтобы обеспечить минимальное падение напряжения для регулятора. Линейные регуляторы обеспечивают очень быструю переходную реакцию на коммутационную нагрузку, но это не относится ко всем изолированным преобразователям постоянного тока в постоянный.

Переходная характеристика при скачке нагрузки от 50% до 100% до 50% может варьироваться от 100 мкс до 300 мкс для типичного изолированного преобразователя постоянного / постоянного тока, в то время как линейный регулятор с тем же переходным процессом нагрузки находится в диапазоне от 1 мкс до 5 мкс, даже когда нагрузка переключается с холостого хода на полную. Если разница во времени отклика между двумя устройствами превышает один порядок, попробуйте один из следующих методов:

• Используйте преобразователь с ШИМ в токовом режиме, который обеспечивает более быстрое время отклика от 50 до 75 мкс.

• Используйте большие конденсаторы на выходе медленного преобразователя.

• Увеличьте выходное напряжение преобразователя, что увеличит входное напряжение линейного регулятора, но снизит общую эффективность.

• Используйте неизолированный импульсный стабилизатор вместо преобразователя постоянного / постоянного тока, если изоляция между входом и выходом не требуется. Сегодня импульсные регуляторы могут обеспечивать время отклика в несколько наносекунд даже при полной нагрузке.

• Используйте преобразователь со встроенным линейным стабилизатором, такой как серия малошумящих преобразователей постоянного тока мощностью 10 и 15 Вт Beta Dyne. (Дополнительную информацию см. В патенте США 5777519: высокоэффективный усилитель мощности.)

Как описано ранее, интерфейс преобразователя постоянного тока в постоянный и линейного регулятора не так прост, как может показаться на первый взгляд. Преобразователи предыдущего поколения с линейными регуляторами были разработаны с прерывателем постоянного тока на входе.Линейный регулятор использовался на выходе для регулирования линии и нагрузки, и он рассеивал много энергии на уровне входного сигнала высокого уровня. Диапазон входного напряжения составлял всего ± 10% от номинального значения V _IN , а КПД составлял от 60% до 70% на номинальной линии и намного ниже на высокой линии, что снизило удельную мощность преобразователей, рабочую температуру и надежность.

Преобразователи

, разработанные с ШИМ или ЧИМ на входе, предлагают более высокую эффективность, широкий диапазон входного напряжения, относительно высокие пульсации на выходе и более высокую стоимость.В серии малошумящих преобразователей Beta Dyne используется одно опорное напряжение как для преобразователя, так и для регулятора, чтобы устранить рассогласование потенциального опорного напряжения TC. Для переходного несоответствия нагрузки оптимизирована компенсация контура преобразователя, и напряжение падения устанавливается для наихудшего случая перерегулирования / перерегулирования преобразователя (т. Е. От холостого хода до полной ступени нагрузки).

Как видно на рис. 2 , выходной сигнал линейного регулятора (форма сигнала № 4) постоянен даже при переходе от холостого хода к полной нагрузке.Выход преобразователя ( рис. 3 , часть B) возвращается в пределах 1% от V _O1 за 2 мс и имеет выброс ± 160 мВ. Падение напряжения установлено на 220 мВ или В _O1 ; в рис. 1 установлено значение 5,220 мВ. Следовательно, фактическое падение напряжения для этого регулятора составляет 220 – 160 = 60 мВ при 2 А (см. , рис. 2, , осциллограмма № 3). Даже при 220 мВ в качестве ΔV мощность, рассеиваемая на P-канальном MOSFET, составляет 0,44 Вт, а эффективность регулятора составляет (P _O / P _IN ) * 100 = (10/10.44) * 100 = 95,8%.

Обратите внимание, что переходная характеристика V _O1 в Fig. 1 или форма сигнала № 2 в Fig. 2 становится формой сигнала № 5 в Fig. 2 , когда шаг нагрузки 50% используется с 50% постоянная нагрузка (от 50% полной нагрузки до 100% полной нагрузки до 50% полной нагрузки). В этом состоянии нагрузки вы могли бы установить ΔV равным 60 мВ и повысить эффективность регулятора на 3% (10 / 10,12 * 100 = 98,8%).

Чтобы поддерживать постоянный КПД, даже когда заказчику необходимо установить на выходе преобразователя разное напряжение, предварительно установленное падение напряжения должно быть постоянным в диапазоне настройки V _OUT , в то время как одна клемма используется для настройки выходов обоих преобразователей. и регулятор.

Используя ранее описанные методы, серия малошумящих преобразователей Beta Dyne устраняет все потенциальные проблемы, связанные с взаимодействием преобразователя постоянного тока в постоянный с линейным регулятором, при этом максимизируя эффективность и сводя к минимуму шум. Тем не менее, внутренние линейные регуляторы малошумящей серии 10 Вт разработаны с использованием дискретных компонентов, которые снижают удельную мощность преобразователей и увеличивают их стоимость. (Для получения дополнительной информации о регуляторах см. «Проектирование эффективных линейных регуляторов» на стр. 33.)

Как видно на рис. 2 и 3, линейный регулятор преобразователя 10 Вт, 5 В на 2 А генерирует пульсации от 2 мВ до 5 мВ, но также снижает выходной шум примерно на 12 дБ. Линейный регулятор действует как фильтр нижних частот, но не ослабляет синфазный шум между входом и выходом преобразователя. Обратите внимание, что демпферы в экспериментальном преобразователе были удалены, и что на выходных клеммах преобразователя не были установлены высокочастотные керамические конденсаторы.

Когда 6.К выходу линейного регулятора добавляется конденсатор емкостью 8 мкФ, минимальный уровень шума снижается на 10 дБ (по сравнению с , рис. 3, , часть c, спектры выходного сигнала без конденсатора емкостью 6,8 мкФ).

Аудиоприложение

Методы, используемые для сопряжения преобразователя постоянного тока с линейным регулятором, могут быть особенно полезны в аудиоприложениях. Например, можно сэкономить гораздо больше энергии, если интеллектуальный источник питания предназначен для питания усилителя мощности звука. Предположим на мгновение, что усилитель мощности мощностью 60 Вт используется для управления динамиком мощностью 8 Вт, а для ± V _CC требуется двойной источник питания ± 24 В.

В Fig. 4 потенциометр регулировки громкости используется для регулировки выходной мощности. Для 12-В _OUT , P _OUT = V ² / R = 18 Вт. Мощность, рассеиваемая в усилителе, составляет 18 Вт; таким образом, 30% доступной мощности тратится впустую в усилителе мощности, что потребует охлаждения либо принудительной конвекцией, либо большим радиатором.

Тот же усилитель будет работать без радиатора, если интеллектуальный источник питания был разработан для обеспечения минимального напряжения V _O + ΔV.Интеллектуальный источник питания разработан с учетом необходимого выходного напряжения, как показано на Рис. 4 . Если мы установим выход блока питания равным V _OUT + 2V, рассеиваемая мощность составит 2 * I _O = 2 * 1,5 A = 3 Вт, что означает уменьшение рассеиваемой мощности в шесть раз.

Некоторые говорят, что невозможно иметь регулируемый источник питания с полосой пропускания от 10 кГц до 20 кГц. Собственно, это даже не нужно. Полоса пропускания от 10 Гц до 100 Гц достаточно, потому что интеллектуальный источник питания настраивается на выход постоянного тока.Пиковый детектор или преобразователь среднеквадратичного значения могут использоваться для установки требуемого выхода постоянного тока. Возможность создания этого регулируемого источника питания демонстрируется выпускаемой Beta Dyne серией регулируемых преобразователей постоянного / постоянного тока мощностью 35 Вт с низким уровнем шума, которые имеют линейные регуляторы на выходах преобразователя. На рис. 5 показан выходной сигнал этого преобразователя. Когда общий выходной контакт используется для заземления, создается двойной выходной источник питания. Из-за гальванической развязки входа и выхода любые выходные клеммы можно использовать в качестве опорного заземления, что дает регулируемый выход от 10 до 100 В, ± 50 В или от -10 до -100 В.Плоская часть около 0 В указывает на то, что схема управления выходом переходит в насыщение при 2 В.

Разработка эффективных линейных регуляторов

Линейные стабилизаторы

, использующие полевой МОП-транзистор с P-каналом в качестве проходного транзистора, обеспечивают наилучший КПД (см. Рисунок , рисунок ). Однако их нельзя использовать для работы с высокой мощностью или низким выходным напряжением. МОП-транзисторы с низким R _{DS (ON)} имеют высокую паразитную емкость, например C _GS , C _DG и C _DS . Высокая емкость увеличивает время отклика регулятора на переходные процессы и требует источника с низким сопротивлением для управления затвором.

Пороговое напряжение затвора полевого МОП-транзистора устанавливает минимальное выходное напряжение регулятора. Низкопороговые полевые МОП-транзисторы вместе с операционными усилителями с питанием от шины питания к сети позволят получить выходной стабилизатор 3,3 В с выходным током от 5 до 10 А. Емкость C _DS (сток к истоку) будет связывать высокочастотный шум от входа к выходу, но большинству линейных регуляторов требуется большая выходная емкость для стабильности и улучшения переходной характеристики. Высокая выходная емкость устраняет любую шумовую связь с выходным конденсатором.

Между тем, паразитный сток к диоду истока будет пропускать любые заряды сброса нагрузки с выхода линейного регулятора на выход преобразователя постоянного тока, что может разрушить как выходные конденсаторы преобразователя, так и стабилизатора. В этом случае настоятельно рекомендуется использовать мощный стабилитрон для защиты от перенапряжения на выходе.

Технология

BiCMOS предлагает преимущества как биполярной, так и КМОП-технологии и может быть применена для разработки линейных регуляторов для работы ниже 1 В при высоких выходных токах.

Вы можете использовать те же методы для разработки эффективных отрицательных линейных регуляторов или комбинации положительного и отрицательного регуляторов, известной как двойной регулятор слежения, где отрицательный выход отслеживает положительный выход. Эти регуляторы используются с двойными (или биполярными) источниками питания ac-dc или dc-dc.

Стабилизаторы напряжения

с низким выходным напряжением имеют свои собственные уникальные конструктивные проблемы, а линейные регуляторы высокого напряжения до 1 кВ также представляют собой уникальные конструктивные проблемы. Для высоковольтных линейных регуляторов требуются не только высоковольтные транзисторы, но также операционные усилители и источники опорного напряжения, которые должны работать в области микромощностей.Кроме того, необходимо использовать различные методы проектирования для защиты от короткого замыкания вместе с тепловой защитой, защитой от перенапряжения и т. Д. Несмотря на то, что проектирование высоковольтных DC-DC и линейных регуляторов является сложной задачей, это возможно.

Для получения дополнительной информации об этой статье, CIRCLE 332 на сервисной карте устройства чтения

Сравнение понижающего преобразователя и регулятора напряжения

Конфигурации понижающего преобразователя.

Обработка электрических колебаний – важная часть современной электроники.Некоторые типы понижающих преобразователей или регуляторов напряжения присутствуют почти в каждом электронном устройстве, которое люди используют ежедневно. Понижающий преобразователь, также известный как понижающий преобразователь, преобразует высокое напряжение в низкое, обычно преобразуя переменный ток в постоянный. Стабилизатор напряжения поддерживает постоянное выходное напряжение для цепи независимо от любых изменений в подключенных устройствах или электрической нагрузке.

Сравнение понижающего преобразователя и регулятора напряжения требует понимания их сходства и различий.Эти два компонента имеют сходство как по структуре, так и по функциям. Однако у них есть некоторые ключевые отличия, позволяющие им выполнять разные работы в электронных компонентах. Для проекта электроники важно выбрать подходящий компонент, потому что компоненты с аналогичными функциями не всегда взаимозаменяемы.

Чем похожи понижающие преобразователи и регуляторы напряжения?

Понижающие преобразователи и регуляторы напряжения регулируют напряжение через электрическую цепь.Подключение к различным источникам питания или смена устройств в цепи может изменить ток, потребляемый схемой. Если схема потребляет больше или меньше энергии, чем должно работать устройство, может произойти много нежелательных результатов. Цепь может быть повреждена, устройство может не работать или аппаратный сбой. Понижающие преобразователи и регуляторы напряжения жизненно важны для безопасной работы электроники. Без них машины могут выйти из строя или вызвать пожары.

Интегральная схема – важная часть понижающих преобразователей и регуляторов напряжения.Современные регуляторы напряжения возможны только благодаря интегральным схемам на основе полупроводников. Интегральная схема контролирует ток через электронное устройство с петлей обратной связи. В обоих компонентах интегральная схема соединена с конденсатором, который сдерживает электрические колебания. Этот конденсатор также может обеспечить дополнительную мощность во время непредвиденных перебоев.

Понижающий преобразователь на самом деле является подклассом регуляторов напряжения, поэтому между ними так много общего.Некоторые типы понижающих преобразователей могут работать в двух направлениях, что делает их также повышающими преобразователями. Эта функция подчеркивает общие возможности понижающих преобразователей и регуляторов напряжения.

Применение понижающего преобразователя к регулятору напряжения

Понижающие преобразователи и регуляторы напряжения

можно найти во многих повседневных предметах, например, в портативных зарядных устройствах. Портативные зарядные устройства включают зарядные устройства для сотовых телефонов для подключения к розеткам, кабели для зарядки компьютеров с трансформаторными коробками и зарядные устройства для питания мобильных устройств от автомобильного аккумулятора.Многим людям приходится иметь несколько зарядных устройств для поддержки различных устройств, и многие хотят, чтобы можно было разработать универсальное портативное зарядное устройство. К сожалению, разные напряжения требуют разных компонентов для работы с электрической нагрузкой. С точки зрения аппаратного обеспечения, универсальные зарядные устройства создать значительно сложнее, чем можно предположить из-за повсеместного распространения портативных зарядных устройств.

Другое распространенное применение понижающих преобразователей и регуляторов напряжения – это USB-соединения. USB-устройства всех типов (традиционные, микро или другие) полагаются на способность преобразовывать различные напряжения в поток энергии, который они могут использовать.Порт USB требует двунаправленного преобразователя между устройством, которое содержит порт, и подключенным устройством. Независимо от типа USB, преобразователь позволяет устройствам передавать мощность в обоих направлениях. Этот постоянный поток энергии имеет решающее значение для устройств при передаче файлов, зарядке друг друга, обработке звука или выполнении любого количества других функций через USB.

Понижающие преобразователи и регуляторы напряжения также жизненно важны для бытовой техники, электрических систем внутри автомобилей и медицинского оборудования.Люди обычно слышат понижающие преобразователи и регуляторы напряжения, называемые в этом контексте «трансформаторами». Везде, где требуется эффективное преобразование высокого напряжения в низкое, без понижающего преобразователя не обойтись. При изменении напряжения между устройствами и внутри цепей регулятор напряжения поддерживает безопасное протекание тока.

Регулятор напряжения на интегральной схеме.

Как развиваются понижающие преобразователи и регуляторы напряжения?

Понижающие преобразователи и регуляторы напряжения

существуют более 100 лет, и их основная концепция осталась прежней.Однако за последний год ученые и инженеры разработали новые идеи, которые могут изменить внешний вид понижающих преобразователей и регуляторов напряжения в будущем. Предлагаемые новые прототипы более эффективно справляются с электрическими нагрузками, используют новые типы внутренних компонентов и снижают физическую нагрузку на основе напряжения. Компьютерное моделирование показывает, что предлагаемые конструкции могут быть более эффективными, чем существующие модели, что может привести к повышению производительности будущей электроники.

Принципиальная схема регулятора напряжения.

Пытаетесь выбрать между понижающим преобразователем и стабилизатором напряжения? У Ultra Librarian есть и то, и другое, а также многие другие конструкции печатных плат. Наше партнерство с дистрибьюторами по всему миру гарантирует высококачественные компоненты для каждого проекта. Работа с Ultra Librarian избавит вас от лишних догадок при подготовке к следующему отличному устройству и направит ваши идеи на путь успеха. Зарегистрируйтесь сегодня бесплатно!

Регулирование напряжения – линейные и импульсные регуляторы • Wolles Elektronikkiste

Об этом сообщении

В этой статье я хотел бы представить различные варианты регулирования напряжения.Прежде всего, речь идет о том, как вы можете обеспечить определенные напряжения с заданными источниками электропитания. Подробно остановлюсь на следующих темах:

Напряжение питания от плат или через них

Любой, кто войдет в мир микроконтроллеров через платы Arduino, будет использовать их существующую удобную инфраструктуру, особенно вначале. Питание платы осуществляется через интерфейс USB. Для питания других элементов, таких как датчики или светодиоды, имеется выход 3,3 и 5 вольт.Последнее, по крайней мере, относится к платам Arduino на базе AVR.

Регуляторы напряжения, используемые на платах, также позволяют работать с напряжением питания от 7 до 12 вольт. Для этого используется пин «VIN» или, например, на Arduino UNO, розетка питания.

Arduino Nano: входной контакт для напряжения питания и преобразователя напряжения

Пока так удобно. Однако самое позднее, если вы

• хотите использовать чистый микроконтроллер (как в этой статье про ATmega328P или в этой про ATtinys), или
• вам нужно больше мощности, чем может предоставить плата (мы скоро узнаем, сколько это есть),

нужно еще раз подумать о подходящем блоке питания.

Напряжение питания с линейными регуляторами напряжения

Линейные регуляторы напряжения (сокращенно: линейные регуляторы) – это преобразователи постоянного / постоянного тока, которые обычно обеспечивают напряжение от 3 до 24 вольт. Линейный регулятор сравнивает выходное напряжение с эталонным значением. Если выходное напряжение отклоняется, оно соответственно усиливается. Различают фиксированные линейные регуляторы, которые выдают фиксированное значение напряжения, и регулируемые линейные регуляторы.

Для большинства линейных регуляторов входное напряжение должно быть на 2–3 В выше желаемого выходного напряжения.

КПД линейных регуляторов напряжения

В линейном регуляторе входной ток I равен выходному току. Меняется только напряжение U. Для производительности P это означает:

 P_ {in} = U_ {in} \ cdot I \; \; \; \ text {and} \; \; \; P_ {out} = U_ {out} \ cdot I 

 P_ {рассеивание} = P_ {in} - P_ {out} = (U_ {In} -U_ {Out}) \ cdot I 

Для КПД η:

 \ eta = \ frac {U_ {out}} {U_ {in}} \ cdot100 \% 

Другими словами, чем больше разница напряжений, тем хуже КПД.А поскольку рассеиваемая мощность преобразуется в тепло, может потребоваться снабдить регулятор напряжения радиатором.

С трансформатором все по-другому. Там ток также меняется, так что произведение U и I остается постоянным. По крайней мере, это касается идеального трансформатора.

Какую мощность могут подавать Arduino UNO, Nano и Pro Mini на выводе 5 В?

Вопрос все еще оставался открытым. При питании от USB предел составляет около 500 миллиампер, что связано с интерфейсом USB, а не с Arduino.При питании от VIN или розетки, рассеиваемая мощность преобразователя напряжения на плате является ограничивающим фактором. Превышение 1 ватта не допускается. Это означает, например, для источника питания 9 вольт:

 1000 \, [\ text {mW}] = (9 \, [\ text {V}] - 5 \, [\ text {V}]) \ cdot I_ {max} \, [\ text {mA}] 

 I_ {max} = \ frac {1000} {4} = 250 \, [\ text {mA}] 

Блок питания с серией L78xx

L7805

Серия L78xx, вероятно, самая известная серия фиксированных линейных регуляторов.Вы также можете иногда найти их под названием LM78xx, MC78xx или аналогичным. «Xx» обозначает выходное напряжение, которое обычно составляет 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 или 24 вольт. Таким образом, L7805 обеспечивает 5 вольт, L7824 обеспечивает 24 вольт.

Представители серии L78xx обычно выдают от 1 до 1,5 ампер. Серия L78 S xx выдает ток до 2 ампер. Кроме того, есть серия L78 M xx для токов до 500 мА и серия L78 L xx до 100 мА.

Стабилизаторы напряжения

L78xx доступны в различных исполнениях, например, модель TO-220, показанная здесь. Контакт 1 – это вход, контакт 2 – GND, а контакт 3 – выходной. Вы можете найти техническое описание серии L78xx здесь.

Подключение регуляторов напряжения L78xx

Подключить регуляторы напряжения L78xx просто. Вам понадобится всего несколько конденсаторов. В зависимости от типа источника напряжения и нагрузки рекомендуются разные размеры. Очень часто вы встретите комбинацию 330 нФ и 100 нФ.

Пример: напряжение питания 5 В от 9 В с L7805

Чтобы сделать схему еще более устойчивой к колебаниям, вы можете добавить конденсаторы большего размера:

Блок питания с L7805 с конденсаторами большего размера

Симметричный блок питания с L78xx и L79xx

Для некоторых приложений, например для определенных схем операционных усилителей, требуется симметричный источник питания. Для обеспечения отрицательного напряжения вы можете выбрать серию L79xx. Например, чтобы генерировать +/- 5 вольт, вы можете использовать следующую схему (для ясности я пропустил конденсаторы!):

Симметричный блок питания с L7805 и L7905

Фиксированные линейные стабилизаторы напряжения фиксированные прочие

Серия L78xx, безусловно, самая популярная, но существует множество других стабилизаторов напряжения.Arduino Nano, показанный выше, использует AMS1117-5.0 (лист данных здесь), который, как следует из названия, выдает 5 вольт. Комбинация AMS1117-5.0 и AMS1117-3.3 используется в этих полезных макетных адаптерах:

Блок питания с макетным адаптером на базе AMS1117

Если для вас проблема, что входное напряжение большинства линейных регуляторов должно быть примерно на 2,5 В выше, чем выходное напряжение, вы можете прибегнуть к регуляторам с малым падением напряжения (LDO). Для них минимальная разница напряжений составляет один вольт или меньше.Между прочим, AMS1117 также является LDO и поэтому хорошо подходит, если вам нужно подавать на отдельные компоненты 3,3 вольта в 5-вольтовом проекте.

Если 2 ампера серии L78Sxx недостаточно, вы можете переключиться на более мощные типы, такие как серия LT108x. LT1083, например, может обеспечить до 7,5 ампер.

Однако чем особенными будут пожелания, тем быстрее будет расти цена. Если L7805 все еще доступен по цене от 20 до 30 центов, вам придется заплатить невероятные 10-20 евро за LT1083CP.

Блок питания с LM317

LM317

Классическим регулируемым линейным стабилизатором напряжения является LM317. С его помощью вы можете генерировать напряжение от 1,25 до 37 вольт. Входное напряжение должно быть как минимум на три вольта выше выходного напряжения. Максимальный ток указан как минимум 1,5 ампера (см. Лист данных).

LM317 имеет три контакта Adjust (1), Output (2) и Input (3).

Здесь показана конструкция TO-220, но LM317 также доступен как SMD.

Подключение LM317

Выходное напряжение LM317 регулируется двумя резисторами. Вот, например, схема, вырабатывающая 5 вольт:

Пример схемы: Источник питания с LM317

LM317 устанавливает фиксированное напряжение 1,25 В между OUT и ADJ, которое падает на R1. Резисторы R1 и R2 служат делителем напряжения, на котором падает выходное напряжение U _out . Следовательно:

 \ frac {U_ {out}} {R_1 + R_2} = \ frac {1,25} {R_1} 

 U_ {out} = 1.25 \ cdot \ frac {R_1 + R_2} {R_1} = 1,25 \ cdot \ left (1+ \ frac {R_2} {R_1} \ right) 

Для R1 рекомендуется значение сопротивления 240 Ом.

Если вы используете регулируемый резистор в качестве R2, вы можете гибко настраивать выходное напряжение. Однако убедитесь, что вы ничего не повредите только потому, что сопротивление могло быть просто неблагоприятным. Лучше измерять выходное напряжение перед тем, как что-либо подключать.

Конденсаторы, выбранные на принципиальной схеме, соответствуют рекомендациям паспорта.

LM317 как ограничитель тока

Я не хочу делать эту статью слишком длинной. Поэтому здесь только намек без дополнительных пояснений, что вы также можете использовать LM317 в качестве ограничителя тока. Если вы перейдете по этой ссылке, то получите компактное описание, в том числе онлайн-калькулятор.

Ток покоя линейных регуляторов напряжения

К сожалению, регуляторы напряжения потребляют ток, даже если ток не поступает с выходной стороны. Для L7805 я измерил 3 мА при входном напряжении 9 вольт, для LM317 было даже 5 мА.Это может быть убийственный критерий для проектов, основанных на батареях.

Блок питания с импульсными регуляторами

Основным недостатком линейных регуляторов напряжения является потенциально большая рассеиваемая мощность. И последнее, но не менее важное: это привело к разработке импульсных регуляторов, которые работают намного эффективнее по сравнению, особенно с большими различиями между входным и выходным напряжением.

Технология импульсного регулирования позволяет не только уменьшить, но и увеличить выходное напряжение по сравнению с входным.Модули, уменьшающие входное напряжение, называются понижающими преобразователями («Tiefsetzsteller» на немецком языке). Неудивительно, что модули, повышающие входное напряжение, называются повышающими преобразователями («Hochsetzsteller»).

Понижающий преобразователь

Принцип

Постараюсь кратко описать своими словами принцип работы понижающего преобразователя (надеюсь, это как-то понятно на моем английском). Вот схема:

Понижающий преобразователь: принципиальная схема

MOSFET – управляющая часть в этой схеме.Он открывается и закрывается с высокой частотой. Управляющим параметром является ширина импульса. Если МОП-транзистор является проводящим (разомкнутым), диод блокируется, и ток течет в катушку индуктивности. Возникает магнитное поле, противодействующее току. Следовательно, ток и напряжение увеличиваются медленнее. Если MOSFET заблокирован, магнитное поле в катушке индуктивности ухудшается, вызывая ток (красивую анимацию можно найти здесь). Электричество хочет, так сказать, продолжать течь. Катушка индуктивности потребляет ток, и в этом направлении диод является проводящим, так что цепь формируется через диод, катушку индуктивности и нагрузку на выходе.При взаимодействии катушки индуктивности и конденсатора ток или напряжение сглаживаются.

Катушка индуктивности – это своего рода накопитель энергии, который заполняется ровно настолько, насколько это необходимо на выходной стороне. Также важно, чтобы MOSFET переключался на высокой частоте. Если бы он переключался медленно, на выходной стороне возникло бы треугольное напряжение, которое в промежутке снова упало бы до нуля. Благодаря высокой частоте и контролируемой ширине импульса напряжение поддерживается на регулируемом уровне. Тем не менее, осциллограф по-прежнему показывает определенную степень напряжения треугольника (пульсации).Вы увидите это ниже на примере.

Если вы хотите снова услышать, как это объяснено другими словами, не подвергаясь бомбардировке формулами, я рекомендую это видео на YouTube.

А как насчет P = U x I?

В отличие от линейных регуляторов напряжения выходной ток больше входного, поскольку ток продолжает течь, даже если МОП-транзистор заблокирован.

Напряжение U уменьшается, но увеличивается ток I, и, таким образом, мощность P остается постоянной.Но, конечно, и здесь есть потери, но они намного меньше, чем у линейных регуляторов.

Пример, LM2596

Ниже вы видите понижающий модуль LM2596 с потенциометром для регулировки выходного напряжения. Если вы не хотите заниматься расчетом компонентов (катушка индуктивности, конденсатор), такой модуль – хорошее решение.

Фактический LM2596 – это ИС с 5 контактами. Он доступен как версия для фиксированного напряжения 3,3, 5 или 12 В (LM2596xx) или регулируемого, как показано здесь.(LM2596-ADJ).

Модуль на базе LM2596-ADJ

По заявлению поставщика, эта модель может обеспечивать от 4 до 34 вольт и может работать без радиаторов до 1 ампера. Для эффективной работы LM2596 входное напряжение должно быть как минимум на 2 В выше, чем выходное напряжение. По заявлению поставщика убыток составляет максимум 8%.

Сама микросхема LM2596 соответствует МОП-транзистору с его управлением на схеме, показанной выше. Используя контакт «обратной связи», он проверяет выходное напряжение и соответствующим образом регулирует сигнал ШИМ.Тактовая частота LM2596 составляет 150 кГц, что соответствует периоду 6,66 микросекунд.

Несколько измерений на модуле LM2596

Я установил LM2596 на выход 5 В и запустил небольшую нагрузку (некоторые светодиоды). Затем я использовал осциллограф, чтобы посмотреть сигнал напряжения. Характерное колебание («пульсация») составляло немногим более 60 мВ. Однако, к моему удивлению, период (от пика до пика) был довольно близок к 20 мкс вместо ожидаемых 6,6 мкс, что соответствует частоте 50 кГц.Был ли здесь установлен оригинальный LM2596?

Выходное напряжение на модуле LM2596 при низкой нагрузке Кривая напряжения при более высокой нагрузке

При более высокой нагрузке интересно посмотреть, как увеличивается рабочий цикл сигнала ШИМ, то есть отношение «включен» или «высокий» к периоду. Пульсации тоже возрастают, здесь почти до 100 мВ. Однако для большинства целей это не проблема.

Понижающий преобразователь для больших токов

Если вам нужны действительно большие токи, напримерОт 5 до 10 ампер, то даже относительно низкие потери понижающих преобразователей приведут к значительному тепловыделению. В этих случаях вы можете использовать таких «монстров», как показано ниже. Кстати, вы можете найти все на Amazon или других интернет-магазинах, если будете искать «понижающий преобразователь».

Понижающий преобразователь для больших токов Понижающий преобразователь с ограничителем тока

Кстати, преобразователь справа вверху интересен еще и тем, что вы можете установить выходной ток в дополнение к выходному напряжению.Затем это можно использовать, например, для управления светодиодами питания.

Понижающий преобразователь с ограничителем тока Индикатор питания

Более компактные импульсные регуляторы

Необязательно покупать коммутационные контроллеры в виде модуля. Они также доступны в очень компактной конструкции для различных напряжений и токов.

Компактные импульсные регуляторы

Однако такие детали не совсем дешевы. До 500 мА они по-прежнему доступны менее чем за 5 евро, для 1,5 или 2 ампер – от 10 до 20 евро.В этом отношении у Конрада есть хорошо структурированный диапазон. Найдите DC преобразователи постоянного тока.

Потребление тока покоя понижающих преобразователей

Понижающие преобразователи, как и линейные регуляторы напряжения, также имеют значительное потребление тока покоя. Для модуля LM2596 я измерил ток покоя 7 мА при входном напряжении 9 вольт и выходном напряжении 5 вольт.

На голой микросхеме LM2596 есть контакт включения / выключения. В выключенном состоянии потребляемая мощность находится в диапазоне микроампер.К сожалению, контакт on / pff на модуле не используется.

Повышающий преобразователь

Повышающий преобразователь состоит из тех же частей, что и понижающий преобразователь, только устройство отличается. И это может быть немного сложнее понять. Здесь снова схема:

Повышающий преобразователь: принципиальная схема

Если МОП-транзистор открыт (токопроводящий), U _I полностью падает на катушку индуктивности. Магнитное поле, которое накапливается и противодействует току, заряжает индуктор как своего рода накопитель энергии.Если МОП закрыт, индуктор высвобождает свою энергию. Теперь ток протекает через диод и потребителя на выходной стороне. Конечно, индуктор заряжается, даже когда МОП-транзистор заблокирован. Важно отметить, что индуктор может накапливать больше энергии, когда Mosfet открыт, чем когда он заблокирован, поскольку в последнем случае только часть U _I попадает на катушку индуктивности.

Примеры

Я испытал два модуля повышающих преобразователя. Один основан на ИС «E50D».Другой основан на микросхеме MT3608. Я нашел только техпаспорт на микросхему MT3608 (здесь ссылка).

Модули повышающего преобразователя

Модуль на базе E50D выдает фиксированное напряжение 5 вольт. Например, он хорошо подходит для обеспечения напряжения 5 вольт от литиевой батареи (3,7 вольт).

Модуль MT3608 обеспечивает регулируемое выходное напряжение до 28 вольт при входном напряжении от 2 до 24 вольт. Максимальный ток составляет 2 ампера. Я не пробовал, но смею сомневаться, что с этим модулем на самом деле можно подтянуть источник питания с 2 вольтами до 28 вольт и одновременно потреблять 2 ампера.Здесь вам непременно нужно будет проверить, как далеко вы действительно можете зайти. По заявлению поставщика КПД составляет 93%.

С помощью осциллографа я снова смог увидеть типичную пульсацию (здесь, на модуле E50D):

Питание 5 В с модулем E50D

Применение: Управление микроконтроллером с паровым двигателем

По-прежнему заинтересованы? Немного я еще должен доложить. Чтобы поднять настроение, давайте продолжим работу с приложением, которое не совсем серьезное. Я одолжил паровой двигатель своего сына и использовал ATtiny85, который, в свою очередь, мигал двумя светодиодами.

Генератор парового двигателя выдает довольно непостоянное постоянное напряжение, которое также зависит от скорости. Я мог достичь максимум около 4 вольт. С помощью конденсаторов я сгладил напряжение, а затем повысил его до 5 вольт с помощью повышающего преобразователя. Вот видео:

Сила esbit! Старшие помнят пахнущее рыбой сухое топливо. Кстати: уже знали, что означает Itbit? «Бреннстофф Эриха Шумма в таблетке» – это был бы хороший вопрос викторины (по крайней мере, для немцев). Но теперь я раскрыл его…

Блок питания с импульсными блоками питания

Напоследок несколько слов об импульсных блоках питания.Они преобразуют переменный ток 230 В в постоянный ток низкого напряжения. Благодаря технологии переключения вам не нужны большие трансформаторы, потому что требуемый ток преобразуется, так сказать, небольшими порциями. Схематично это выглядит:

Импульсный источник питания: принципиальная схема

Я нашел здесь хорошее объяснение импульсных источников питания. Краткая версия:

• Выпрямитель преобразует переменное напряжение в «горбатое» постоянное напряжение.
• Дроссель и конденсатор сглаживают напряжение
• Переключатель (эл.грамм. Mosfet) преобразует постоянное напряжение в импульсное напряжение.
• Трансформатор преобразует уровень импульсов напряжения.
• Дроссель и конденсатор сглаживают импульсное напряжение

Вы можете купить импульсные блоки питания, которые вы сами подключаете к сети 230 В. Лично я не хочу работать с напряжением 230 В и настоятельно рекомендую не делать этого тем, кто точно не знает, что они делают! Я все равно пробовал:

Импульсные блоки питания для установки

Если вы хотите работать от электросети и вам нужно 5 вольт, я бы рекомендовал такие блоки питания с выходом USB.С небольшой переходной платой за <1 евро напряжение можно удобно использовать на макетной плате.

Импульсный источник питания USB с переходником со сменным контактом

Подтверждение

Я нашел изображение поста на Pixabay. Благодарю фотографа Йонаса Манске.

Когда LDO более эффективен, чем импульсный преобразователь мощности?

Питание: когда LDO более эффективен, чем импульсный преобразователь мощности?

Когда у вас одно напряжение (например, 5 В от USB-соединения), и вам нужно запитать компонент с меньшим напряжением (3.3 В для микроконтроллера), у вас есть выбор: вы используете импульсный преобразователь или линейный регулятор для генерации меньшего напряжения? Одним из критериев, который следует учитывать при принятии этого решения, является эффективность.

Импульсные источники питания часто являются наиболее эффективным выбором. Импульсный источник питания, например понижающий преобразователь, использует широтно-импульсную модуляцию для генерации выходного напряжения постоянного тока. Когда разница между входным и выходным напряжением относительно велика, а выходной ток относительно высок, переключающие преобразователи, вероятно, являются наиболее эффективным выбором.Когда выходное напряжение должно быть изолированным, инвертированным или большим, чем входное напряжение, импульсные преобразователи, вероятно, являются единственным выбором.

Линейные регуляторы обычно меньше, дешевле, тише и проще в реализации по сравнению с импульсными преобразователями. Эти особенности делают линейные регуляторы предпочтительными в определенных приложениях. Они считаются неэффективными по сравнению с импульсными преобразователями. Это верно во многих, но не во всех случаях. Фактически, есть определенные случаи, когда линейный регулятор столь же эффективен (или даже более эффективен!), Чем понижающий преобразователь.Линейные регуляторы являются эффективным выбором при относительно низком токе или при относительно небольшом падении напряжения.

Малый ток нагрузки (состояние небольшой нагрузки)

Импульсные источники питания – хороший выбор, когда выходная мощность намного превышает мощность, рассеиваемую схемой переключения (которая зависит от частоты коммутации, рабочего тока для активного оборудования, RDSON переключателей, время нарастания и спада коммутационного узла, сопротивление постоянному току силового дросселя, пути коммутации тока, паразитная емкость и т. Д.). Для справки: здесь находится отличный источник для расчета потерь понижения. Эти потери определяют эффективность понижающего преобразователя.

Понижающий преобразователь становится менее эффективным, когда выходная мощность примерно такая же, как мощность, необходимая для управления и работы схемы; на некоторые активные потери в цепи снижение выходного тока не влияет. В современных микросхемах импульсных регуляторов будет реализована функция малой нагрузки или пропуска цикла для повышения эффективности при малых нагрузках. Обратной стороной этого режима является увеличение пульсаций напряжения; пропуск циклов приводит к более низкой эффективной частоте переключения, что вызывает более низкие пульсации выходного напряжения и требует фильтрации выходного сигнала с меньшей полосой пропускания (компоненты пассивной фильтрации с большим значением).

Сравните графики ниже, чтобы увидеть разницу между линейным стабилизатором (Micrel MIC5365-3.3) и понижающим преобразователем (Texas Instruments LM3670), используемым для регулирования 3,3 В от источника питания 5 В. Если нагрузка потребляет ток 100 мкА, обе цепи работают с КПД около 60%. При меньших токах нагрузки КПД примерно такой же.

Обратите внимание, что рассеивание мощности в линейном регуляторе или импульсном источнике питания вызывает повышение температуры перехода внутри интегральных схем.Очень важно поддерживать температуру перехода в пределах опубликованных рабочих характеристик; для этого может потребоваться радиатор или другое охлаждающее устройство. Выполняя важные расчеты во время проектирования электрооборудования, можно отказаться от радиатора или указать его заранее, чтобы упростить процесс проектирования изделия.

Малая разница напряжения между VIN и VLOAD

Линейный регулятор действует как резистор с регулируемым током, понижая любое напряжение, необходимое для получения «правильного» выходного напряжения для любого тока, необходимого для нагрузки (в пределах указанного диапазона ).Рассеиваемая мощность в линейном регуляторе определяется этим «резистором с регулируемым током». Когда напряжение питания почти соответствует нагрузке, рассеиваемая мощность относительно невелика.

Посмотрите на график ниже, чтобы увидеть разницу между линейным стабилизатором (Micrel MIC5365-3.3) и понижающим преобразователем (Texas Instruments LM3670), используемым для регулирования 3,3 В от источника питания 3,5 В. В этом случае малое падение напряжения линейного регулятора означает, что он более эффективен при всех токах нагрузки.Это возможно только при использовании линейного регулятора с малым падением напряжения вблизи его напряжения падения.

Посмотрите на график ниже, чтобы увидеть влияние падения напряжения на эффективность для того же тока нагрузки (для тех же силовых цепей, рассмотренных выше). По мере увеличения падения напряжения на линейном регуляторе КПД линейно уменьшается, как и ожидалось. Существует предел, при котором понижающий преобразователь и линейный регулятор имеют одинаковый КПД; этот предел зависит от конкретного расчета потерь в понижающем преобразователе и технических характеристик линейного регулятора.

Понижающий преобразователь является более эффективным и универсальным выбором, когда разница между входным и выходным напряжением относительно велика или выходной ток относительно высок. В условиях небольшой нагрузки или при использовании функции низкого падения напряжения линейный регулятор может обеспечить аналогичную (или лучшую!) Эффективность в более простом, дешевом и физически меньшем корпусе, чем импульсный источник питания.

NK Labs, LLC – инженерная фирма по разработке продуктов в Кембридже, Массачусетс.У нас большой опыт в разработке бытовой электроники, робототехники и других инновационных продуктов. Пожалуйста, рассмотрите нас для вашего следующего инженерного проекта!

#LDO #switchingpowersupply #switchingpowerconverter #buckconverter #efficiency

Типы регуляторов напряжения

и принцип работы | Статья

.

СТАТЬЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик – рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Как работает регулятор напряжения?

Стабилизатор напряжения – это схема, которая создает и поддерживает фиксированное выходное напряжение независимо от изменений входного напряжения или условий нагрузки.

Регуляторы напряжения (VR) поддерживают напряжение источника питания в диапазоне, совместимом с другими электрическими компонентами. Хотя регуляторы напряжения чаще всего используются для преобразования мощности постоянного / постоянного тока, некоторые из них также могут выполнять преобразование мощности переменного / переменного или переменного / постоянного тока. В этой статье речь пойдет о регуляторах постоянного / постоянного напряжения.

Типы регуляторов напряжения: линейные и импульсные

Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Оба типа регулируют напряжение в системе, но линейные регуляторы работают с низким КПД, а импульсные регуляторы работают с высоким КПД.В высокоэффективных импульсных регуляторах большая часть входной мощности передается на выход без рассеивания.

Линейные регуляторы

В линейном стабилизаторе напряжения используется устройство активного прохода (например, BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейный регулятор регулирует сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сбрасывая ошибку до нуля.

Линейные регуляторы – это понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих регуляторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны и предлагают низкий уровень шума, а также низкие пульсации выходного напряжения.

Линейным регуляторам, таким как MP2018, для работы требуются только входной и выходной конденсатор (см. Рисунок 1) . Их простота и надежность делают их интуитивно понятными и простыми устройствами для инженеров, а зачастую и очень рентабельными.

Рисунок 1: Линейный регулятор MP2018

Импульсные регуляторы

Схема импульсного регулятора обычно более сложна в разработке, чем линейный регулятор, и требует выбора значений внешних компонентов, настройки контуров управления для обеспечения стабильности и тщательного проектирования компоновки.

Импульсные регуляторы

могут быть понижающими преобразователями, повышающими преобразователями или их комбинацией, что делает их более универсальными, чем линейный регулятор.

Преимущества импульсных регуляторов заключаются в том, что они высокоэффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокие токи и более широкие приложения VIN / VOUT.Они могут достичь эффективности более 95% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных регуляторов, для импульсной системы питания могут потребоваться дополнительные внешние компоненты, такие как катушки индуктивности, конденсаторы, полевые транзисторы или резисторы обратной связи. HF920 является примером импульсного регулятора, который обеспечивает высокую надежность и эффективное регулирование мощности (см. Рисунок 2) .

Рисунок 2: Импульсный регулятор HF920

Ограничения регуляторов напряжения

Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, поскольку в определенных случаях использования они рассеивают большое количество энергии.Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при входном напряжении 5 В и выходном напряжении 3 В между клеммами возникает падение на 2 В, а эффективность ограничивается 3 В / 5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низкими дифференциалами VIN / VOUT.

Важно учитывать расчетную рассеиваемую мощность линейного регулятора в приложении, поскольку использование более высоких входных напряжений приводит к значительному рассеиванию мощности, что может привести к перегреву и повреждению компонентов.

Еще одним ограничением линейных регуляторов напряжения является то, что они способны только к понижающему (понижающему) преобразованию, в отличие от импульсных регуляторов, которые также предлагают повышающее (повышающее) и понижающее-повышающее преобразование.

Импульсные регуляторы

очень эффективны, но к их недостаткам относится то, что они, как правило, менее рентабельны, чем линейные регуляторы, больше по размеру, более сложны и могут создавать больше шума, если их внешние компоненты не выбраны тщательно. Шум может быть очень важным для конкретного приложения, поскольку шум может повлиять на работу и производительность схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.

Топологии импульсного регулятора

: понижающий, повышающий, линейный, LDO и регулируемый

Существуют различные топологии линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто используют топологию с малым падением напряжения (LDO). Для импульсных регуляторов существует три распространенных топологии: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и понижающие-повышающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:

Регуляторы LDO

Одной из популярных топологий линейных регуляторов является стабилизатор с малым падением напряжения (LDO).Линейные регуляторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Тем не менее, стабилизатор LDO разработан для работы с очень небольшой разницей напряжения между входными и выходными клеммами, иногда до 100 мВ.

Понижающие и повышающие преобразователи

Понижающие преобразователи

(также называемые понижающими преобразователями) принимают большее входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) принимают более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.

Пониженно-повышающие преобразователи

Понижающий-повышающий преобразователь – это одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выхода в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного напряжения.

Управление регулятором напряжения

Четыре основных компонента линейного регулятора – это проходной транзистор, усилитель ошибки, опорное напряжение и цепь обратной связи резистора. Один из входов усилителя ошибки установлен двумя резисторами (R1 и R2) для контроля процентного значения выходного напряжения.Другой входом является ссылкой стабильного напряжения (VREF). Если дискретизированное выходное напряжение изменяется относительно VREF, усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

Для работы линейных регуляторов

обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их внедрение.

С другой стороны, импульсный стабилизатор требует большего количества компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между VIN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход.Подобно линейному регулятору, есть операционный усилитель, который производит выборку выходного постоянного напряжения из цепи обратной связи и сравнивает его с внутренним опорным напряжением. Затем сигнал ошибки усиливается, компенсируется и фильтруется. Этот сигнал используется для модуляции рабочего цикла ШИМ, чтобы вернуть выход в режим регулирования. Например, если ток нагрузки быстро увеличивается и вызывает падение выходного напряжения, контур управления увеличивает рабочий цикл ШИМ, чтобы обеспечить больший заряд нагрузки и вернуть шину в режим регулирования.

Приложения для линейных и импульсных регуляторов

Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые чувствительны к затратам, чувствительны к шуму, слаботочны или ограничены в пространстве. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую ​​как наушники, носимые устройства и устройства Интернета вещей (IoT). Например, в таких приложениях, как слуховой аппарат, можно использовать линейный регулятор, поскольку в них нет переключающего элемента, который мог бы создавать нежелательный шум и влиять на работу устройства.

Более того, если проектировщики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно так беспокоиться о рассеивании мощности, и они могут полагаться на линейный регулятор.

Импульсные регуляторы полезны для более общих приложений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения (см. Рисунок 3) . Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подходит импульсный стабилизатор, так как линейный регулятор может создавать большое рассеивание мощности, которое может повредить другие электрические компоненты.

Рисунок 3: Понижающий регулятор MPQ4430-AEC1

Каковы основные параметры микросхемы регулятора напряжения?

Некоторые из основных параметров, которые следует учитывать при использовании регулятора напряжения, – это входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток. Эти параметры используются для определения того, какая топология VR совместима с ИС пользователя.

Другие параметры, включая ток покоя, частоту переключения, тепловое сопротивление и напряжение обратной связи, могут иметь значение в зависимости от приложения.

Ток покоя важен, когда приоритетом является эффективность в режимах малой нагрузки или ожидания. Если рассматривать частоту коммутации как параметр, максимальное увеличение частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.

Кроме того, термическое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и его рассеивания по системе. Если контроллер включает в себя внутренний полевой МОП-транзистор, то все потери (проводящие и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.

Напряжение обратной связи – еще один важный параметр, который необходимо изучить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Стандартно смотреть на параметры опорного напряжения. Это ограничивает нижнее выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного напряжения.

Как правильно выбрать регулятор напряжения

Чтобы выбрать подходящий регулятор напряжения, разработчик должен сначала понять его ключевые параметры, такие как V _IN , V _OUT , I _OUT , системные приоритеты (например, V _IN , V _OUT , I _OUT ).грамм. эффективность, производительность, стоимость), а также любые дополнительные ключевые функции, такие как индикация хорошего энергопотребления (PG) или включение управления.

После того, как разработчик определил эти требования, используйте таблицу параметрического поиска, чтобы найти лучшее устройство, отвечающее желаемым требованиям. Таблица параметрического поиска – ценный инструмент для дизайнеров, поскольку она предлагает различные функции и пакеты, доступные для соответствия требуемым параметрам для вашего приложения.

Каждое устройство MPS поставляется с таблицей данных, в которой подробно описано, какие внешние компоненты необходимы и как рассчитать их значения для достижения эффективной, стабильной и высокопроизводительной конструкции.Таблицу данных можно использовать для расчета таких значений компонентов, как выходная емкость, выходная индуктивность, сопротивление обратной связи и другие ключевые компоненты системы. Кроме того, вы можете использовать инструменты моделирования, такие как программное обеспечение DC / DC Designer или MPSmart, обращаться к примечаниям по применению или обращаться с вопросами в местный FAE.

MPS предлагает множество эффективных, компактных линейных и импульсных стабилизаторов напряжения, включая семейство HF500-x, семейство MP171x, MP20056, MP28310, MPQ4572-AEC1 и MPQ2013-AEC1.

Список литературы

Глоссарий по электронной инженерии

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик – рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

% PDF-1.5 % 89 0 объект > эндобдж xref 89 74 0000000016 00000 н. 0000002709 00000 н. 0000002820 00000 н. 0000003419 00000 п. 0000003827 00000 н. 0000004358 00000 п. 0000004739 00000 н. 0000005171 00000 п. 0000005670 00000 п. 0000005837 00000 н. 0000006008 00000 н. 0000006179 00000 н. 0000006216 00000 н. 0000006330 00000 н. 0000006415 00000 н. 0000006853 00000 н. 0000007374 00000 н. 0000007739 00000 п. 0000008197 00000 н. 0000009637 00000 н. 0000009809 00000 н. 0000011038 00000 п. 0000012197 00000 п. 0000013426 00000 п. 0000014743 00000 п. 0000016046 00000 п. 0000017320 00000 п. 0000018381 00000 п. 0000021031 00000 п. 0000024709 00000 п. 0000027696 00000 п. 0000030115 00000 п. 0000030500 00000 п. 0000030907 00000 п. 0000033641 00000 п. 0000034028 00000 п. 0000034491 00000 п. 0000035789 00000 п. 0000036110 00000 п. 0000036466 00000 п. 0000037162 00000 п. 0000037286 00000 п. 0000091530 00000 п. 0000091569 00000 п. 0000091957 00000 п. 0000092345 00000 п. 0000092733 00000 н. 0000093121 00000 п. 0000093509 00000 п. 0000093881 00000 п. 0000094111 00000 п. 0000094356 00000 п. 0000094502 00000 п. 0000094890 00000 н. 0000095120 00000 п. 0000095266 00000 п. 0000095420 00000 п. 0000095665 00000 п. 0000095811 00000 п. 0000095886 00000 п. 0000096568 00000 п. 0000100317 00000 н. 0000159416 00000 н. 0000159455 00000 н. 0000159530 00000 н. 0000160210 00000 н. 0000163919 00000 н. 0000186028 00000 н. 0000186405 00000 н. 0000186834 00000 н. 0000187211 00000 н. 0000191955 00000 н. 0000199030 00000 н. 0000001776 00000 н. трейлер ] / Назад 377873 >> startxref 0 %% EOF 162 0 объект > поток hb“`b“g`231 + PiKG} \\ Y & 0J]) # ǔŰ # ˁ! LtTh | BHl = 1 $ \ X2W% 3M “& 2HvnmÇV: UN: ۾ 8 ţ / wiWiLR / 3Mb ‘

TLE7368E – Infineon Technologies

Устройство предназначено для питания и контроля семейств 32-битных микроконтроллеров следующего поколения (литография 13 мкм), где уровни напряжения, такие как 5 В, 3.Требуется 3 В или 1,5 В. Регулятор следует концепции своего предшественника TLE6368, где выход предварительного регулятора питает входы линейных источников питания микроконтроллера. В частности, TLE7368 каскадирует понижающий преобразователь с линейными регуляторами и повторителями напряжения для достижения минимального рассеивания мощности. Такая конфигурация позволяет запитать приложение даже при высоких температурах окружающей среды. Понижающий преобразователь выдает предварительно регулируемое напряжение 5,5 В с минимальным пиковым током 2.5 А. Этот понижающий преобразователь питает два линейных пострегулятора с низким падением напряжения, обеспечивающих 5 В и 3,3 В (2,6 В) с высокой точностью. Максимальный ток регуляторов составляет 800 мА и 700 мА. Линейный стабилизатор 3,3 В (2,6 В) имеет собственный вход, позволяющий вставить капельницу с выхода Buck для уменьшения рассеиваемой мощности на кристалле, если это необходимо. По той же причине, для уменьшения рассеиваемой мощности на кристалле, источник питания ядра (1,5 В, 1,2 В или 1,3 В) следует концепции интегральной схемы управления с внешним силовым каскадом.Реализация бортовых источников питания и питания микроконтроллера описанным выше способом позволяет работать даже при высоких температурах окружающей среды. Система регулятора содержит так называемую функцию последовательного включения питания, которая обеспечивает управляемую последовательность включения трех выходных напряжений. Помимо основных регуляторов, входы двух трекеров напряжения подключены к выходному напряжению понижающего преобразователя 5,5 В. Их защищенные выходы с высокой точностью соответствуют основному линейному регулятору 5 В и способны управлять нагрузками 50 мА и 105 мА.Для контроля уровней выходного напряжения каждого из линейных регуляторов доступны две независимые схемы обнаружения пониженного напряжения. Их можно использовать для выполнения функции сброса или прерывания. По причинам энергосбережения, например пока двигатель выключен, TLE7368 предлагает режим ожидания. Режим ожидания может быть включен и отключен либо батареей, либо микроконтроллером. В этом режиме ожидания остается активным только резервный регулятор, и ток, потребляемый от батареи, снижается до минимума для увеличения срока службы батареи.Контакт выбора позволяет настраивать выходные напряжения резервного регулятора в соответствии с потребностями приложения. Вход резервного регулятора отделен от входа высокой мощности системы предварительного / пострегулятора.