Стабилизатор с малым падением напряжения. Стабилизаторы напряжения с малым падением: особенности и применение

Что такое стабилизаторы напряжения с малым падением. Как работают и где применяются LDO-стабилизаторы. Какие преимущества имеют LDO перед обычными линейными стабилизаторами. Какие основные характеристики важны при выборе LDO-стабилизатора.

Что такое стабилизатор напряжения с малым падением

Стабилизатор напряжения с малым падением (Low-dropout regulator, LDO) — это линейный стабилизатор напряжения, способный работать при очень малой разнице между входным и выходным напряжением. LDO-стабилизаторы обладают рядом преимуществ:

• Низкое падение напряжения (как правило, менее 1 В)
• Малые габариты
• Низкий уровень шума на выходе
• Высокая стабильность выходного напряжения
• Невысокое энергопотребление

Благодаря этим особенностям, LDO-стабилизаторы широко применяются в портативной электронике и других устройствах с батарейным питанием, где важны компактность и экономичность.

Принцип работы LDO-стабилизатора

Типовая структура LDO-стабилизатора включает следующие основные элементы:

• Источник опорного напряжения
• Усилитель ошибки
• Проходной транзистор (обычно PMOS)
• Делитель напряжения обратной связи

Принцип работы LDO заключается в следующем:

1. Усилитель ошибки сравнивает опорное напряжение с напряжением обратной связи
2. При отклонении выходного напряжения усилитель управляет проходным транзистором
3. Изменение сопротивления транзистора компенсирует отклонение и стабилизирует выходное напряжение

За счет использования транзистора в активном режиме достигается малое падение напряжения между входом и выходом стабилизатора.

Ключевые характеристики LDO-стабилизаторов

При выборе LDO-стабилизатора важно учитывать следующие основные параметры:

Ток покоя

Ток покоя (quiescent current) — это ток, потребляемый самим стабилизатором в активном режиме. Он определяет эффективность LDO при малых токах нагрузки. Чем ниже ток покоя, тем выше КПД стабилизатора, особенно при малых нагрузках.

Коэффициент подавления пульсаций по питанию (PSRR)

PSRR (Power Supply Rejection Ratio) показывает способность стабилизатора подавлять пульсации входного напряжения. Высокий PSRR обеспечивает низкий уровень пульсаций на выходе LDO.

Минимальное падение напряжения

Минимальное падение напряжения (dropout voltage) — это минимальная разница между входным и выходным напряжением, при которой стабилизатор сохраняет работоспособность. Чем ниже этот параметр, тем эффективнее работает LDO.

Области применения LDO-стабилизаторов

LDO-стабилизаторы нашли широкое применение в различных областях электроники:

• Мобильные устройства и гаджеты
• Портативная медицинская техника
• Автомобильная электроника
• Измерительное оборудование
• Аудиотехника
• Источники опорного напряжения

Они особенно востребованы там, где требуется стабильное питание при ограниченном пространстве и низком энергопотреблении.

Преимущества LDO перед другими типами стабилизаторов

По сравнению с обычными линейными и импульсными стабилизаторами, LDO имеют ряд преимуществ:

• Более высокий КПД при малой разнице входного и выходного напряжений
• Меньшие габариты и простота схемы
• Низкий уровень электромагнитных помех
• Малое время отклика на изменение нагрузки
• Низкий уровень собственных шумов

Это делает LDO оптимальным выбором для многих применений, где критичны размеры, эффективность и качество выходного напряжения.

Выбор LDO-стабилизатора для конкретного применения

При выборе LDO-стабилизатора для конкретной задачи следует учитывать несколько ключевых факторов:

• Требуемое выходное напряжение и ток нагрузки
• Диапазон входных напряжений
• Допустимое падение напряжения
• Требования к уровню пульсаций и шумов
• Диапазон рабочих температур
• Габаритные ограничения

Правильный выбор LDO позволит обеспечить оптимальные характеристики питания при минимальных затратах и габаритах.

Особенности применения LDO-стабилизаторов

При использовании LDO-стабилизаторов важно учитывать некоторые нюансы:

• Необходимость установки входных и выходных конденсаторов для обеспечения стабильности
• Влияние топологии печатной платы на характеристики стабилизатора
• Возможность самовозбуждения при определенных сочетаниях нагрузки и выходной емкости
• Ограничения по максимальному входному напряжению

Соблюдение рекомендаций производителя позволит избежать проблем и получить от LDO максимальную производительность.

Перспективы развития технологии LDO-стабилизаторов

Технология LDO-стабилизаторов продолжает развиваться. Основные направления совершенствования:

• Снижение тока покоя до единиц микроампер
• Уменьшение минимального падения напряжения
• Повышение максимального выходного тока
• Интеграция дополнительных функций (защита, мониторинг и т.д.)
• Улучшение динамических характеристик

Это позволит еще больше расширить области применения LDO и повысить эффективность устройств с батарейным питанием.

Стабилизатор с малым минимальным падением напряжения

Один из важных параметров последовательных стабилизаторов напряжения (в том числе и микросхемных) — минимально допустимое напряжение между входом и выходом стабилизатора (ΔUмин) при максимальном токе нагрузки. Он показывает, при какой минимальной разности входного (Uвх) и выходного (Uвых) напряжений все параметры стабилизатора находятся в пределах нормы. К сожалению, не все радиолюбители обращают на него внимание, обычно их интересуют только выходное напряжение и максимальный выходной ток. Между тем этот параметр оказывает существенное влияние как на качество выходного напряжения, так и на КПД стабилизатора.
Например, у широко распространенных микросхемных стабилизаторов серии 1_М78хх (хх — число, равное напряжению стабилизации в вольтах) минимально допустимое напряжение дUмин= 2 В при токе 1 А. На практике это означает, что для стабилизатора на микросхеме LM7805 (Uвых = 5 В) напряжение Uвхмин должно быть не менее 7 В. Если амплитуда пульсаций на выходе выпрямителя достигает 1 В, то значение Uвхмин повышается до 8 В, а с учетом нестабильности сетевого напряжения в пределах ±10 % возрастает до 8,8 В. В результате КПД стабилизатора не превысит 57 %, а при большом выходном токе микросхема будет сильно нагреваться.
Возможный выход из положения — применение так называемых Low Dropout (с низким падением напряжения) микросхемных стабилизаторов, например, серии КР1158ЕНхх (ΔUмин = 0,6 В при токе 0,5 А) или LM1084 (Uмин= 1,3 В при токе 5 А). Но еще меньших значений Uмин можно добиться, если в качестве регулирующего элемента использовать мощный полевой транзистор. Именно о таком устройстве и пойдет речь далее.

Рис. 1

Схема предлагаемого стабилизатора показана на рис. 1. Полевой транзистор VT1 включен в плюсовую линию питания. Применение прибора с п-каналом обусловлено результатами проведенных автором испытаний: оказалось, что такие транзисторы менее склонны к самовозбуждению и к тому же, как правило, сопротивление открытого канала у них меньше, чем у р-канальных. Управляет транзистором VT1 параллельный стабилизатор напряжения DA1. Для того чтобы полевой транзистор открылся, напряжение на его затворе должно быть как минимум на 2,5 В больше, чем на истоке. Поэтому необходим дополнительный источник с выходным напряжением, превышающим напряжение на стоке полевого транзистора именно на эту величину.
Такой источник — повышающий преобразователь напряжения — собран на микросхеме DD1. Логические элементы DD1.1, DD1.2 использованы в генераторе импульсов с частотой следования около 30 кГц, DD1.3, DD1.4 — буферные; диоды VD1, VD2 и конденсаторы СЗ, С4 образуют выпрямитель с удвоением напряжения, резистор R2 и конденсатор С5 — сглаживающий фильтр.

Конденсаторы С6, С7 обеспечивают устойчивую работу устройства. Выходное напряжение (его минимальное значение 2,5 В) устанавливают подстроеч-ным резистором R4.
Лабораторные испытания макета устройства показали, что при токе нагрузки 3 А и снижении входного напряжения с 7 до 5,05 В выходное уменьшается с 5 до 4,95 В. Иными словами, при указанном токе минимальное падение напряжения ΔUмин не превышает 0,1 В. Это позволяет более полно использовать возможности первичного источника питания (выпрямителя) и повысить КПД стабилизатора напряжения.

Рис. 2

Детали устройства монтируют на печатной плате (рис. 2) из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5…2 мм. Постоянные резисторы — Р1-4, МЛТ, подстроечный — СПЗ-19а, конденсаторы С2, С6, С7 — керамические К10-17, остальные — оксидные импортные, например, серии ТК фирмы Jamicon. В стабилизаторе с выходным напряжением 3…6 В следует применять полевой транзистор с напряжением открывания не более 2,5 В. У таких транзисторов фирмы International Rectifier в маркировке, как правило, присутствует   буква   L   (см.   справочный листок «Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier» в «Радио», 2001, № 5, с. 45). При токе нагрузки более 1,5…2 А необходимо использовать транзистор с сопротивлением открытого канала не более 0,02… 0,03 Ом.
Во избежание перегрева полевой транзистор закрепляют на тепло-отводе, к нему же через изолирующую прокладку можно приклеить плату. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 3.

Рис. 3

Выходное напряжение стабилизатора можно повысить, однако не следует забывать, что максимальное напряжение питания микросхемы К561ЛА7- 15 В, а предельное значение напряжения затвор-исток полевого транзистора в большинстве случаев не превышает 20 В.

Рис. 4

Поэтому в подобном случае следует применить повышающий преобразователь, собранный по иной схеме (на элементной базе, допускающей более высокое напряжение питания), и ограничить напряжение на затворе полевого транзистора, подключив параллельно конденсатору С5 стабилитрон с соответствующим напряжением стабилизации. Если стабилизатор предполагается встроить в источник питания с понижающим трансформатором, то преобразователь напряжения (микросхему DD1, диоды VD1, VD2, резистор R1 и конденсаторы С2, СЗ) можно исключить, а «основной» выпрямитель на диодном мосте VD5 (рис. 4) дополнить удвоителем напряжения на диодах VD3, VD4 и конденсаторе С9 (нумерация элементов продолжает начатую на рис. 1).

Автор: И. Нечаев, г. Москва

Фиксированный стабилизатор напряжения с малым падением напряжения

Вся современная радиоэлектронная аппаратура построена на элементах, чувствительных к питающему электричеству. От него зависит не только правильное функционирование, но и работоспособность схем в целом. Поэтому в первую очередь электронные устройства снабжают фиксированными стабилизаторами с малым падением напряжения. Они выполнены в виде интегральных микросхем, которые выпускают многие производители по всему миру.

Что такое стабилизатор напряжения с малым падением напряжения?

Под стабилизатором напряжения (СН) понимают такое устройство, основная задача которого состоит в поддержании на определенном неизменном уровне напряжения на нагрузке. Любой стабилизатор имеет определенную точность выдачи параметра, которая обусловлена типом схемы и компонентами, входящими в нее.

Внутренне СН выглядит подобно замкнутой системе, где в автоматическом режиме напряжение на выходе подстраивается пропорционально эталонному (опорному), которое генерирует специальный источник. Этот тип стабилизаторов именуют компенсационным. Регулирующим элементом (РЭ) в этом случае выступает транзистор – биполярник или полевик.

Элемент регулирования напряжения может работать в двух разных режимах (определяется схемой построения):

• активном;
• ключевом.

Первый режим подразумевает непрерывную работу РЭ, второй – работу в импульсном режиме.

Где применяют фиксированный стабилизатор?

Радиоэлектронная аппаратура современного поколения отличается мобильностью в глобальном масштабе. Системы питания устройств построены на использовании в основном химических источников тока. Задача разработчиков в этом случае состоит в получении стабилизаторов с небольшими габаритными параметрами и как можно меньшими потерями электричества на них.

Современные СН применяются в следующих системах:

• средства мобильной связи;
• компьютеры переносного типа;
• элементы питания микроконтроллеров;
• автономно работающие камеры слежения;
• автономные охранные системы и датчики.

Для решения вопросов питания стационарной электроники применяют стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения в корпусе с тремя выводами типа КТ (КТ-26, КТ-28-2 и др.). Их используют для создания простых схем:

• зарядных устройств;
• блоков питания бытовой электротехники;
• измерительной аппаратуры;
• систем связи;
• спецоборудования.

Какими бывают СН фиксированного типа?

Все интегральные стабилизаторы (в состав которых входят и фиксированные) делят на две основных группы:

• Стабилизаторы с минимально малым падением напряжения гибридного исполнения (ГИСН).
• Микросхемы полупроводниковые (ИСН).

СН первой группы выполняют на интегральных микросхемах и полупроводниковых элементах бескорпусного типа. Все компоненты схемы размещают на подложке из диэлектрика, куда методом нанесения толстых или тонких пленок добавляют соединительные проводники и резисторы, а также элементы дискретные – переменные сопротивления, конденсаторы и др.

Конструктивно микросхемы представляют законченные устройства, выходное напряжение которых фиксировано. Это обычно стабилизаторы с малым падением напряжения на 5 вольт и до 15 В. Более мощные системы построены на мощных транзисторах бескорпусных и схеме управления (маломощной) на основе пленок. Схема может пропускать токи до 5 ампер.

ИСН микросхемы выполняют на одном кристалле, потому они имеют маленькие размеры и массу. По сравнению с предыдущими микросхемами они более надежны и дешевле в изготовлении, хотя по параметрам уступают ГИСН.

Линейные СН с тремя выводами относятся к ИСН. Если взять серию L78 или L79 (для положительных и отрицательных напряжений), то они делятся на микросхемы со:

• Слабым током на выходе около 0.1 А (L78L**).
• Средним значением тока, в районе 0.5 А (L78M**).
• Сильноточные до 1.5 А (L78).

Принцип работы линейного стабилизатора с малым падением напряжения

Типовая структура стабилизатора состоит из:

• Источника напряжения опорного.
• Преобразователя (усилителя) сигнала ошибки.
• Делителя сигнала и элемента регулирующего, собранных на двух резисторах.

Так как величина напряжения на выходе напрямую зависит от сопротивлений R1 и R2, то последние встраивают в микросхему и получается СН с фиксированным выходным напряжением.

Работа стабилизатора напряжения с малым падением напряжения основана на процессе сравнивания напряжения опорного с тем, которое поступает на выход. В зависимости от уровня несоответствия этих двух показателей усилитель ошибки воздействует на затвор силового транзистора на выходе, прикрывая либо открывая его переход. Таким образом, фактический уровень электричества на выходе стабилизатора будет мало отличаться от заявленного номинального.

Также в схеме присутствуют датчики защиты от перегрева и перегрузочных токов. Под воздействием этих датчиков у выходного транзистора полностью перекрывается канал, и он перестает пропускать ток. В режиме отключения микросхема потребляет всего 50 микроампер.

Схемы включения стабилизатора с малым падением напряжения

Интегральная микросхема-стабилизатор удобна тем, что имеет внутри все необходимые элементы. Установка ее на плату требует включения лишь фильтрующих конденсаторов. Последние призваны убрать помехи, приходящие от источника тока и нагрузки, как видно на рисунке.

Касательно СН серии 78xx и использовании танталовых либо керамических конденсаторов шунтирования входа и выхода, емкость последних должна быть в пределах до 2 мкФ (вход) и 1 мкФ (выход) при любых допустимых значениях напряжения и тока. Если применять алюминиевые конденсаторы, то их номинал не должен быть ниже 10 мкФ. Подключать элементы следует максимально близко к выводам микросхемы.

В случае когда нет в наличии стабилизатора напряжения с малым падением напряжения нужного номинала, можно увеличить номинал СН с меньшего на больший. За счет поднятия уровня электричества на общем выводе добиваются прироста его на такую же величину на нагрузке, как показано на схеме.

Преимущества и недостатки линейных и импульсных стабилизаторов

Интегральные микросхемы непрерывного действия (СН) имеют следующие преимущества:

1. Реализованы в одном корпусе небольшого размера, что позволяет эффективно располагать их на рабочем пространстве печатной платы.
2. Не требуют установки дополнительных регулирующих элементов.
3. Обеспечивают хорошую стабилизацию выходного параметра.

К недостаткам можно отнести низкий КПД, не превышающий 60%, связанный с падением напряжения на встроенном регулирующем элементе. При большой мощности микросхемы необходимо применять радиатор охлаждения кристалла.

Более производительными считаются импульсные стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения на полевике, КПД которых приблизительно на уровне 85%. Достигается это благодаря режиму работы элемента регулирующего, при котором ток через него проходит импульсами.

К недостаткам схемы импульсного СН можно отнести:

1. Сложность схематического исполнения.
2. Наличие помех импульсного характера.
3. Малую стабильность выходного параметра.

Некоторые схемы с использованием линейного стабилизатора напряжения

Кроме целевого использования микросхем в качестве СН, можно расширить область их применения. Некоторые варианты таких схем на базе интегральной микросхемы L7805.

Включение стабилизаторов в параллельном режиме

Чтобы увеличить ток нагрузки, СН включают параллельно друг к другу. Для обеспечения работоспособности такой схемы дополнительно в нее устанавливают резистор небольшого номинала между нагрузкой и выходом стабилизатора.

Стабилизатор тока на базе СН

Есть нагрузки, питание которых необходимо осуществлять постоянным (стабильным) током, например, светодиодная цепочка.

Схема регулирования оборотов вентилятора в компьютере

Регулятор этого типа построен таким образом, что при первоначальном включении на куллер поступает все 12 В (для его раскрутки). Далее по окончании заряда конденсатора C1 переменным резистором R2 можно будет регулировать величину напряжения.

Заключение

Собирая схему с применением стабилизатора напряжения с малым падением напряжения своими руками, важно учитывать, что некоторые типы микросхем (построенные на полевых транзисторах) нельзя паять обычным паяльником непосредственно от сети 220 В без заземления корпуса. Их статическое электричество может вывести электронный элемент из строя!

LDO регуляторы – ИС линейных регуляторов с малым падением напряжения

• LDBL20

  ИС линейного регулятора с очень малым током покоя 200 мА в корпусе ST STAMP™ (0,47×0,47) мм²

• LFXX

  Стабилизатор напряжения с очень малым падением напряжения и блокировкой

• STLQ50

  50 мА, 3 мкА Линейный регулятор тока питания с малым падением напряжения

• LD39050

  500 мА регулятор напряжения с малым током покоя и низким шумом

• LD57100

  1 А LDO со сверхмалым падением напряжения и смещением

• LDLN025

  250 мА сверхмалошумящий LDO

• LD49100

• LD39015J

  Малый ток покоя 150 мА Малошумящий регулятор напряжения

• ST1L05

  Очень малый ток покоя BiCMOS регулятор напряжения

  0005
• ST1L08

  800 mA ultra low drop, high PSRR voltage regulator

• LK112S

  Low noise and low drop voltage regulator with shutdown function

• LD39150

  Ultra low drop BiCMOS voltage regulator

• ST715

  High input voltage, Линейный стабилизатор LDO 85 мА

• LDK120

  200 мА низкий ток покоя очень низкий уровень шума LDO

• L4940

  1,5 A стабилизатор напряжения с очень малым падением напряжения IC

• LD39080

  Ultra Low Dop Регулятор напряжения BICMOS

• LDCL015

  150 млн. Лету. Свободный ультра -низкий линейный регулятор регуляторов

• LM2931. с функцией отключения

• L4941

  Регулятор с очень малым падением напряжения 1 А

• LDLN050

  500 мА, высокоэффективный линейный регулятор с малым падением напряжения

• LDL112

  1,2 LDO с низким уровнем покоя с защитой обратного тока

• LDLN030

  300 млн. Ультра-низкого шума LDO с мощностью хорошего и мягкого старта

99115J

150 мА с низким уровнем QUIESCENT. LDK715

Высокое входное напряжение 85 мА, линейный регулятор LDO

• LD39030SJ

  300 мА, низкий ток покоя, плавный пуск, малошумящий регулятор напряжения

• ST730

  300 мА, 28 В стабилизатор напряжения с малым падением напряжения, ток покоя 5 мкА

• LDF

  1 А стабилизатор напряжения с очень малым падением напряжения

• LD2980

  Регуляторы напряжения со сверхмалым падением напряжения, совместимые с выходными конденсаторами с низким ESR

  LEXX

  Стабилизатор напряжения с очень малым падением напряжения и функцией блокировки

• KFXX

  Стабилизатор напряжения с очень малым падением напряжения и функцией блокировки

• LD56050

  Линейный стабилизатор со сверхмалым падением напряжения 500 мА и источником смещения

• LD59030

  300 мА. — сверхмалошумный — линейный стабилизатор напряжения с высоким PSRR IC

• LDK320

  200 мА регулятор напряжения с низким током покоя и высоким PSRR

• LDL1117

  1.2 Высокий PSRR с низким содержанием линейного напряжения с низким содержанием выпада. регулятор с защитой от обратного тока

• LD56020

  Низкое входное напряжение 200 мА линейный регулятор со сверхмалым падением напряжения

• LD3985

  Сверхмалый перепад и низкий уровень шума BiCMOS регуляторы напряжения совместимы с конденсаторами с низким ESR

• LDFM

  500 мА. Очень низкий регулятор напряжения снижения

• Kitldo0221

  Высокоэффективный комплект для образцов LDO

• LD39130S

  300 мА очень низкий ток. Линейный регулятор с программируемым плавным пуском

• LD56100

  1 Линейный регулятор с очень малым падением напряжения и сверхнизким уровнем шума

• LD39030

  300 млн. Лету очень низкий ток.

• LD59100

  Регулятор с низким падением напряжения, 1 А, с защитой от обратного тока

• LDK220

  200 мА, малый ток покоя и низкий уровень шума LDO

• ST732

  300MA, 28 В регулятор напряжения с низким содержанием транспроводки, с 5 мкА. Центр.

• L4931

  Регуляторы напряжения с очень малым падением напряжения и блокировкой

• LD2981

  Стабилизаторы напряжения со сверхмалым падением напряжения и блокировкой выходного сигнала низкого ESR

• LD29080

  Фиксированный и регулируемый выход 800 мА, регулятор напряжения с очень малым падением напряжения

• LD39020

  200 мА. тип Поддерживаемые устройства

  	Название ресурса	Тип ресурса

  Объяснение регуляторов с малым падением напряжения | designnews.com

  Изображение предоставлено Texas Instruments через YouTube

  Небольшой размер и низкий уровень шума делают стабилизаторы с малым падением напряжения идеальными для работы в точках нагрузки микросхем.

  Даршил Патель | 01 февраля 2022 г.

  Смотреть этот вебинар

  Регуляторы с малым падением напряжения (LDO) играют очень важную роль в управлении питанием интегральной схемы. В результате тщательное проектирование и выбор схем LDO приобретают решающее значение. В этой статье обсуждаются важные характеристики и конструктивные аспекты регуляторов с малым падением напряжения и их практическая реализация.

  Как диктует тенденция развития интегральных схем, напряжение питания снижается день ото дня. Кроме того, усовершенствованные системы на кристаллах (SoC) используют более низкое напряжение питания, поскольку размер элементов процессов изготовления CMOS постоянно уменьшается. Поэтому, чтобы удовлетворить потребность в современных электронных устройствах с батарейным питанием, растет спрос на высокорегулируемые малошумящие источники питания для интегральных схем.

  Одним из идеальных кандидатов на роль малошумящих стабилизаторов напряжения постоянного тока являются стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO). Они имеют небольшие размеры, генерируют низкий уровень шума и идеально подходят для использования в качестве регуляторов точки нагрузки (POL), которые размещаются рядом с целевой схемой на микросхеме.

  Эти регуляторы проще и проще в реализации, чем импульсные преобразователи. Преимущества LDO перед обычными линейными стабилизаторами, помимо низкого уровня шума и компактности, заключаются в том, что они имеют низкое падение напряжения, высокую стабильность выходного напряжения и малое рассеивание мощности.

  Упомянутое ранее падение напряжения представляет собой разницу между входным и выходным напряжением. LDO имеют низкое падение напряжения и, следовательно, более эффективны, чем обычные линейные стабилизаторы. Однако линейные стабилизаторы, такие как LDO, должны рассеивать мощность, и в результате они не так эффективны, как импульсные стабилизаторы.

  Но из-за низкого падения напряжения рассеиваемая мощность в LDO значительно меньше.

  LDO чаще всего используются в устройствах с батарейным питанием. Например, если LDO 2,8 В подключен к батарее 4,2 В (при полной зарядке) и падение напряжения LDO составляет около 200 мВ, то LDO может поддерживать выходное напряжение 2,8 В в идеале, даже когда напряжение батареи падает. до 3В. В некоторых случаях LDO используются для пострегулирования или фильтрации. Их можно подключить на выходе высокоэффективного регулятора для обеспечения фильтрации помех.

  Изображение предоставлено Даршилом Пателем

  Работа регулятора LDO довольно проста. Как правило, обычные LDO состоят из источника опорного напряжения, усилителя ошибки, схемы измерения напряжения, в основном реализованной делителем напряжения, и проходного транзистора PMOS.

  Проходной транзистор управляется усилителем ошибки, который сравнивает опорное напряжение и напряжение обратной связи с выхода и усиливает разницу. Если напряжение обратной связи выше опорного напряжения, затвор PMOS становится высоким, пропуская меньший ток и, в свою очередь, уменьшая выходное напряжение.

  Для данной схемы выходное напряжение указано как:

  Чтобы лучше понять, как спроектировать или выбрать каждый каскад LDO-регулятора, необходимо взглянуть на некоторые важные спецификации или характеристики LDO и получить узнать, как на них влияют некоторые этапы проектирования LDO.

  Ток покоя

  Ток покоя ( I _Q ) относится к току, потребляемому LDO, когда он активен. Это ток, протекающий через клемму заземления. Поэтому он также известен как ток заземления или I _земля . Ток покоя является очень важным параметром LDO, поскольку схема CMOS в основном работает при низкой нагрузке.

  Чтобы понять, насколько сильно I _Q   влияет на эффективность LDO, рассмотрим 2,3-вольтовую батарею, питающую 1,8-вольтовую цепь с потребляемым током 2 мкА через LDO с током покоя 1 мкА. Это означает, что даже если к LDO не подключена нагрузка, через внутреннюю схему будет протекать ток величиной 1 мкА, и некоторая мощность будет рассеиваться.

  Расчет полной мощности, рассеиваемой LDO, прост. Он задается как:

  Подставляя значения, мы видим, что I _Q   составляет около 69 процентов от общей рассеиваемой мощности. Таким образом, для низких нагрузок I _Q становится решающим параметром конструкции. I _Q зависит от усилителя ошибки и сети обратной связи. Чтобы опустить I _Q необходимо уменьшить ток потребления усилителя ошибки. Кроме того, мы должны сделать цепь обратной связи с высоким сопротивлением, чтобы обеспечить протекание меньшего тока через клемму заземления.

  В дополнение к этому, мы также можем заметить, что чем ниже падение напряжения (Vout-Vin), тем ниже будет рассеиваемая мощность. Но когда падение напряжения слишком мало, оно приводит внутренние цепи в состояние насыщения, что приводит к увеличению тока покоя.

  Потребность в снижении тока покоя также можно увидеть из уравнения эффективности:

  Где I _IN = I _OUT + I _Q

  В большинстве случаев выходное и входное напряжение предопределены. Следовательно, уравнение эффективности сводится к текущей эффективности.

  Таким образом, для достижения максимальной эффективности I _Q должно быть минимальным. Но есть компромисс. Снижение тока покоя также снизит скорость LDO. Внутренним узлам LDO требуется достаточное количество тока для зарядки паразитных емкостей при возникновении переходных процессов.

  Понижение I _Q  приведет к медленной зарядке этих конденсаторов и, в свою очередь, к увеличению времени отклика. Более подробная информация о скорости LDO содержится в характеристиках переходного процесса.

  PSRR (Коэффициент подавления напряжения питания)

  Во многих случаях LDO используются для подавления пульсаций напряжения питания. Эти приложения требуют, чтобы способность LDO подавлять пульсации напряжения была высокой. PSRR — это способность LDO подавлять пульсации входного напряжения. Выражается как:

  В идеале PSRR LDO должен быть очень высоким для всех частот. Чтобы оптимизировать LDO для высокого PSRR, необходимо понять, какие факторы определяют PSRR.

  На приведенном выше рисунке видно, что напряжение затвора PMOS изменяется при изменении входного напряжения. Это изменение связано с тем, что PMOS пытается поддерживать постоянную разницу напряжений. Поэтому пульсации напряжения питания ослабляются в соответствии с соотношением выходного сопротивления LDO и выходного сопротивления PMOS.

  Из приведенного выше выражения видно, что выходное сопротивление должно быть уменьшено для достижения высокого PSRR. Также можно показать, что отрицательная обратная связь в регуляторе эффективно снижает выходной импеданс.

  Изображение предоставлено Darshil Patel

  Рассмотрим петлю обратной связи, как показано на рисунке выше. Выходное сопротивление можно получить, вычислив В _Тл / I _Т .

  Поскольку коэффициент усиления усилителя ошибки очень велик, порядка 100 дБ, выходное сопротивление обычно невелико для низких частот. Но для высоких частот усиление уменьшается, что, в свою очередь, снижает PSRR.

  Существуют различные методы улучшения PSRR на высоких частотах. Одним из простых способов является увеличение выходной емкости. Чтобы увидеть влияние высокой выходной емкости на PSRR, мы подставим значение выходного импеданса как 1/sCout в предыдущее уравнение.

  Таким образом, мы можем представить себе, что большой выходной конденсатор поддерживает высокое значение PSRR даже на высоких частотах. Но большой конденсатор также может замедлить время отклика LDO. Поэтому, чтобы избежать использования большого конденсатора, на выходе можно использовать RC-фильтр. Но этот метод увеличивает падение напряжения LDO из-за последовательного резистора.

  Существуют более сложные методы улучшения PSRR LDO, например, добавление схемы подкачки заряда. Но сложность и рассеиваемая мощность таких LDO очень высоки.

  Регулирование нагрузки и линейное регулирование

  Регулирование нагрузки — это способность LDO поддерживать стабильное выходное напряжение при изменяющихся условиях нагрузки.

  Как правило, изменения для наихудшего случая рассчитываются, когда выходной ток изменяется от 0 до максимума.

  Стабилизация линии, с другой стороны, представляет собой способность LDO поддерживать стабильное выходное напряжение при изменении входного напряжения.

  Несложно понять, что для улучшения регулирования линии коэффициент усиления без обратной связи усилителя ошибки должен быть очень высоким.

  Переходная характеристика

  Во время работы, если нагрузка LDO изменяется мгновенно, его рабочий ток быстро изменяется, что вызывает ступенчатое изменение тока нагрузки LDO. В идеале напряжение LDO должно оставаться постоянным при любых условиях.

  Однако есть некоторая задержка из-за ограниченной скорости работы LDO. Когда нагрузка изменяется, отрицательная обратная связь начинает замечать изменение нагрузки. Но в то же время напряжение сток-исток на проходном транзисторе PMOS мгновенно изменяется, вызывая резкое увеличение выходного напряжения.

  Напряжение на выходе во время переходных процессов зависит от выходного сопротивления и изменения выходного тока. Обратная связь не может немедленно отслеживать изменение тока и уменьшать выходной импеданс. Добавление большого выходного конденсатора значительно снизит выходное сопротивление, тем самым улучшив переходную характеристику.

  Но, как известно, большой конденсатор снижает быстродействие LDO. Есть еще одна характеристика, тесно связанная со скоростью, а именно время установки. Это время, необходимое LDO для установления выходного напряжения. На время настройки существенно влияет увеличение внутренних конденсаторов.

  Изображение предоставлено Darshil Patel

  Изменение выходного напряжения LDO при изменении тока нагрузки от 0 мА до 220 мА.

  Изображение предоставлено Darshil Patel

  Настройка переходного сигнала LDO.

  Таким образом, в результате этого компромисса между скоростью и производительностью разработчики стремятся реализовать усилитель ошибки с высокой скоростью нарастания для сокращения времени настройки.

  Как мы видим, существует множество конструктивных аспектов реализации регулятора CMOS LDO. Кроме того, помимо тщательного отбора I _Q , падение напряжения, выходное сопротивление и конструкция усилителя ошибки, существуют различные другие аспекты, касающиеся стабильности. Нестабильные или минимально стабильные LDO могут столкнуться с колебаниями, поэтому очень важно компенсировать частотную характеристику LDO.

  В заключение следует отметить, что LDO являются сердцем КМОП-схемы управления питанием, и их тщательная разработка очень важна, если вы хотите добиться низкого энергопотребления и надежной подачи питания.