Как работают импульсные стабилизаторы напряжения. Какие существуют типы схем импульсных стабилизаторов. В чем преимущества и недостатки импульсных стабилизаторов по сравнению с линейными. Как выбрать подходящий импульсный стабилизатор для вашего устройства.
Принцип работы импульсного стабилизатора напряжения
Импульсный стабилизатор напряжения — это устройство, которое преобразует входное напряжение в стабильное выходное напряжение с помощью высокочастотного переключения. Основные компоненты импульсного стабилизатора:
- Силовой ключ (транзистор)
- Диод
- Катушка индуктивности
- Конденсатор
- Схема управления
Принцип работы импульсного стабилизатора заключается в следующем:
- Силовой ключ периодически открывается и закрывается с высокой частотой (десятки-сотни кГц)
- Когда ключ открыт, энергия накапливается в катушке индуктивности
- Когда ключ закрыт, энергия из катушки передается в нагрузку через диод
- Конденсатор сглаживает пульсации выходного напряжения
- Схема управления регулирует длительность открытого состояния ключа для поддержания стабильного выходного напряжения
Такой принцип позволяет эффективно преобразовывать напряжение с минимальными потерями энергии.
Основные типы схем импульсных стабилизаторов
Существует несколько базовых схем импульсных стабилизаторов напряжения:
Понижающий стабилизатор (Buck converter)
Понижающий стабилизатор преобразует входное напряжение в более низкое выходное напряжение. Его схема работает следующим образом:
- Когда ключ замкнут, ток течет от источника через катушку в нагрузку, заряжая ее
- Когда ключ разомкнут, ток продолжает течь через катушку и диод, разряжая ее
- Выходное напряжение всегда ниже входного
Повышающий стабилизатор (Boost converter)
Повышающий стабилизатор преобразует входное напряжение в более высокое выходное напряжение. Принцип его работы:
- При замкнутом ключе ток нарастает в катушке, накапливая энергию
- При размыкании ключа энергия катушки через диод передается в нагрузку
- Выходное напряжение всегда выше входного
Инвертирующий стабилизатор (Buck-boost converter)
Инвертирующий стабилизатор может как повышать, так и понижать напряжение, а также менять его полярность. Его работа основана на комбинации понижающего и повышающего преобразователей.
Преимущества импульсных стабилизаторов
По сравнению с линейными стабилизаторами импульсные имеют ряд важных преимуществ:
- Высокий КПД (до 95% и выше)
- Малые габариты и вес
- Возможность как понижать, так и повышать напряжение
- Широкий диапазон входных напряжений
- Низкое тепловыделение
Именно поэтому импульсные стабилизаторы широко применяются в современной электронике.
Недостатки импульсных стабилизаторов
Однако у импульсных стабилизаторов есть и некоторые недостатки:
- Более сложная схема по сравнению с линейными
- Наличие высокочастотных помех
- Пульсации выходного напряжения
- Более высокая стоимость компонентов
Поэтому в некоторых случаях линейные стабилизаторы могут быть предпочтительнее.
Как выбрать импульсный стабилизатор напряжения
При выборе импульсного стабилизатора необходимо учитывать следующие параметры:
- Диапазон входных и выходных напряжений
- Максимальный выходной ток
- КПД
- Уровень пульсаций выходного напряжения
- Частота преобразования
- Габариты и тепловыделение
Также важно правильно выбрать внешние компоненты — катушку индуктивности, конденсаторы, диод. От этого зависят характеристики и надежность стабилизатора.
Применение импульсных стабилизаторов напряжения
Импульсные стабилизаторы широко используются в различных областях электроники:
- Источники питания компьютеров и ноутбуков
- Зарядные устройства для мобильных телефонов
- Автомобильная электроника
- Светодиодные драйверы
- Промышленная автоматика
- Бытовая техника
Они позволяют создавать компактные и энергоэффективные устройства с низким энергопотреблением.
Заключение
Импульсные стабилизаторы напряжения — это современное решение для эффективного преобразования напряжения. Они обеспечивают высокий КПД, малые габариты и широкие возможности по регулированию напряжения. При правильном выборе и расчете импульсные стабилизаторы позволяют создавать надежные и эффективные источники питания для различных электронных устройств.
структурная схема ,принцип действия, достоинства и недостатки .
В импульсных стабилизаторах напряжения регулируемый элемент работает в ключевом режиме, т.е. транзистор, через который течет ток в нагрузку, периодически открывается и закрывается, т.е. работает в ключевом режиме. Регулирование осуществляется путем изменения отношения длительности открытого транзистора к величине периода повторения импульсов.
, где -длительность замкнутого ключа (импульса). время открытого транзистора.
Т – период следования импульса.
Поскольку регулирование осуществляется путем изменения ширины импульсов t, этот принцип работы получил название широтно-импульсной модуляции (ШИМ).
Структурная схема импульсного стабилизатора напряжения.
VD – заперт. ГПН – генератор пилообразного напряжения.
На участке t1, t3 энергия запасается в дросселе величина противо ЭДС уменьшается и в момент времени t 2, , сравнивается с напряжением в конденсаторе в нагрузку потечет ток из входного источника разряд С прекращается и UC прекращает расти, в момент времени t3 транзистор закрывается UП=0, диод VD открывается и ЭДС препятствующая уменьшению тока дросселя прикладывается к нагрузке до времени t4 заряжает конденсатор. на участке t4, t5 в нагрузку течет ток разряда конденсатора. После t5 процесс повторяется.
Преимущества импульсных стабилизаторов:
Высокий КПД
Малые габариты
Недостатки:
В импульсных стабилизаторах помехи.
Электронные измерительные приборы
Аналоговые электронные вольтметры постоянного тока: структурная схема, принцип действия основных частей, характеристики
Электронные вольтметры постоянного тока – это измерительный прибор, состоящий из входного устройства, электронного усилителя постоянного тока и магнитоэлектрического прибора и преобразователя.
Электронные вольтметры постоянного тока по сравнению с магнитоэлектрическими вольтметрами имеют очень большое входное сопротивление (порядка 5—10 МОм) и высокую чувствительность. Значение входного сопротивления неизменно при переключении пределов измерения.
Структурная схема:
Вольтметр состоит из входного устройства — высокоомного резистивного делителя напряжения; электронного преобразователя — усилителя постоянного тока; электромеханического преобразователя — магнитоэлектрического измерителя.
Усилитель постоянного тока служит для повышения чувствительности вольтметра, является усилителем мощности, необходимым для приведения в действие магнитоэлектрического измерителя. Он должен обладать высокой линейностью амплитудной характеристики, постоянством коэффициента усиления, малым дрейфом нуля.
Достоинства: Большое входное сопротивление, Высокая чувствительность, Малая инерционность
Способность выдерживать большие перегрузки.
Недостатки: Постоянное напряжение.
Электронные вольтметры переменного напряжения: классификация, параметры из меряемого переменного напряжения, структурные схемы
Классификация
По измеряемому параметру:
Пиковые (амплитудные)
Средневыпрямленных значений
Среднеквадратичных значений
По частотному диапазону:
Низкочастотные НЧ
Высокочастотные ВЧ
Сверхвысокочастотные СВЧ
Широкополостные ШП
По схеме входа:
с закрытым входом
с открытым входом
Различие по отношению к постоянной составляющей.
Параметры переменного напряжения:
Эпюры напряжений
Максимальное отклонение от нулевого значения называется амплитудой напряжения.
Иногда требуется измерить среднее значение.
Среднее значение за время измерения (или за период) — постоянная составляющая напряжения: — постоянная составляющая сигнала.
Средневыпрямленное значение— это среднее значение модуля напряжения:
Среднеквадратическое значение напряжения за время измерения (или за период)
.
Для измерения соответствующего параметра переменного напряжения необходимо использовать соответствующие ему преобразования либо: пиковых, средневыпрямленных, среднеквадратичных значений.
Структурные схемы электронных вольтметров:
Принцип действия вольтметра, построенного по схеме на рис. а, заключается в преобразовании напряжения переменою тока в напряжение постоянного тока, которое измеряется стрелочным электроизмерительным прибором.
Такие приборы пригодны лишь для измерения напряжений значительной амплитуды (их используют для контроля напряжения в низкочастотных и высокочастотных измерительных генераторах, модуляторах мощных генераторов и т. п.), так как для измерения малых напряжений они недостаточно чувствительны. Поэтому в подобных случаях применяют вольтметры, у которых после преобразователя (б) либо до него (в) дополнительно включен усилитель.Вольтметр напряжения без усилителя (а)
Достоинства: Большой частотный диапазон 20 Гц-700 МГц.
Недостаток: Низкая чувствительность.
С усилителем постоянного тока (б)
Достоинства и недостатки аналогичные что и без усилителя.
С усилителем переменного тока (в)
Недостаток: Частотный диапазон 10 Гц-10 МГц.
Достоинства: Высокая чувствительность
Универсальный вольтметр
Такой универсальный вольтметр служит для измерения напряжений как переменного, так и постоянного тока.
главная |
На рис. 1 приведена структурная схема импульсного стабилизатора напряжения с ШИМ. Рассмотрим данную схему подробнее. Входным каскадом для нее является регулирующий транзистор (РТ). Ему на вход подается постоянное нестабилизированное напряжение, которое он периодически с заданной частотой подключает к входу фильтра (Ф). В принципе работу РТ можно рассматривать как работу электронного ключа (открыл – закрыл). Но для того, чтобы регулирующий транзистор выполнял эти функции, ему нужно управление. Этим занимается ШИМ, на котором и формируются управляющие импульсы для (РТ), длительность которых зависит от сигнала, поступающего от усилителя (У). Из всего сказанного выше, можно понять, что регулирующий транзистор периодически подключает источник питания к входу фильтра (Ф), напряжение на котором имеет форму однополярных прямоугольных импульсов, а на выходе фильтра выделяется постоянная составляющая напряжения, которая будет являться и выходным напряжением стабилизатора. Далее, напряжение, снятое с выхода фильтра сравнивается с опорным ( происходит вычитание напряжений), и сигнал разности поступает на вход усилителя (У), где он усиливается в к-раз и поступает на вход ШИМ. Теперь, если происходит изменение выходного сигнала, изменяется разностный сигнал между выходным и опорным напряжением, и далее по каскадам приводит к изменению длительности управляющих импульсов на (РТ). Вследствие чего изменяется длительность импульсов на входе фильтра (Ф), поэтому среднее значение выходного напряжения возвращается к своему первоначальному значению. Импульсный стабилизатор постоянного напряжения может быть выполнен в трех вариантах, а именно его силовая часть (РТ) и (Ф) как показано на рис.2,3,4. Здесь цепи (ШИМ), (У) и цепь опорного напряжения объединены в один блок управления, так как схемы построения для трех вариантов индетичны . В импульсном стабилизаторе по схеме (рис.2) входное напряжение больше выходного Uвх>Uвых. В схеме (рис.3), наоборот, входное напряжение меньше выходного Uвых>Uвх. И третья схема (рис.4) является комбинированной полярно-инвертируемой, т. е. на выходе будет напряжение противоположной полярности входного напряжения. А по величине может быть больше или меньше значения входного напряжения, в зависимости от скважности управляющих импульсов. На рис.5 показана схема импульсного стабилизатора постоянного напряжения понижающего типа. Данная схема реализована на основе специализированной микросхеме К142ЕП1, работающая как в релейном режиме, так и с ШИМ. Здесь источник опорного напряжения реализован с помощью параметрического стабилизатора, выполненного на стабилитроне VD1 и резисторе R1, и эмиттерного повторителя на транзисторе VT1. Напряжение стабилитрона подается на вход эмиттерного повторителя, т. е. на базу VT1, а снимается опорное напряжение с резистора R3 (вывод 9 микросхемы К142ЕП1). Диод VD2 наряду с резисторами R2 и R3 служит для защиты VT1 от перегрева. На транзисторах VT10, VT12 и резисторе R11 выполнен дифференциальный усилитель постоянного тока, на один из входов которого подается напряжение с внешнего делителя (вывод 12), на другой (вывод 13) опорное напряжение (вывод 9). После чего, разностный сигнал, прошедший обработку на дифференциальном усилителе, поступает на вход эмиттерного повторителя (VT8, R9). На выводы 15, 14 микросхемы К142ЕП1 подается внешний пилообразный сигнал, который выпрямляется на диодном мосте (VD3 – VD6) и выделяется на резисторе R10. Потом оно складывается с выходным напряжением усилителя постоянного тока (VT10, VT12) и поступает на вход эмиттерного повторителя (VT7). Импульсный стабилизатор напряжения так же содержит широтно-импульсный модулятор (ШИМ) в составе микросхемы К142ЕП1 и реализованный на триггере Шмитта (VT5, VT6, R5 – R8). На входе триггера присутствует суммарное напряжение пилообразного синхронизирующего сигнала и выходного сигнала дифференциального усилителя. С помощью этих сигналов транзистор VT5 триггера Шмитта через промежуточный усилитель VT4 управляет составным транзистором VT3, VT2. В состав данного импульсного стабилизатора напряжения помимо микросхемы К142ЕП1 входят: регулирующий транзистор VT13, фильтр VD7, L, Cн, сравнивающий делитель R16, R17, R18 и параметрический стабилизатор, реализованный на транзисторе VT14 и служащий для питания микросхемы. Теперь рассмотрим более подробно работу импульсного стабилизатора напряжения в релейном режиме и в режиме с ШИМ. При включении импульсного стабилизатора на вывод 5 микросхемы поступает напряжение питания источника опорного напряжения. Затем с вывода 6 снимается стабилизированное напряжение и поступает на базу транзистора VT14, который, как мы знаем, образует вместе с конденсатором C1 параметрический стабилизатор, с выхода которого напряжение поступает на вывод 10 микросхемы. Транзистор VT6 триггера оказывается закрытым, из-за присутствия напряжения питания на выводе 10, а VT5 открыт. В открытом состоянии находятся так же VT2, VT3, VT4. Через составной транзистор VT2 , VT3 и резистор R3 течет ток базы регулирующего транзистора VT13, поэтому он открывается. На входе фильтра (VD7) напряжение станет равным входному напряжению стабилизатора. Конденсатор Сн начинает заряжаться, вызывая увеличение выходного напряжения, и в свою очередь, увеличение напряжения на нижнем плече сравнивающего делителя R18 и базе VT12. И как только напряжение на базе VT12 превысит опорное напряжение, поступающее на базу VT10, токи базы и коллектора VT12 начинают увеличиваться, соответственно, увеличивается напряжение на резисторе R9 и на входе триггера. Когда напряжение на R9 достигнет верхнего порога срабатывания триггера, транзистор VT6 откроется, а VT5, VT4, VT3 и VT2 закроются. На базе VT13 ток станет равным нулю и он закроется. На входе фильтра напряжение так же станет равным нулю. Вследствие чего, начинает уменьшаться выходное напряжение стабилизатора. При этом уменьшение происходит плавно, по мере разряда конденсатора Сн. Так же уменьшаются токи базы и коллектора VT12, а ток коллектора VT10 увеличивается, вызывая уменьшение напряжения на резисторе R9, и при достижении этого напряжения нижнего порога срабатывания триггера, транзистор VT6 закрывается, а VT2 – VT5 открываются. И теперь процесс повторяется вновь: регулирующий транзистор VT13 открывается, и напряжение на выходе стабилизатора начинает увеличиваться. Дальше, в процессе работы стабилизатора, если происходит изменение входного напряжения или тока нагрузки, изменяется скорость заряда или разряда выходной емкости, а среднее значение выходного напряжения, из-за постоянства порогов срабатывания триггера, остается неизменным в пределах допустимых значений. В регулирующем транзисторе, изменение входного напряжения приводит к изменению длительности его импульса и частоты переключения. Теперь рассмотрим работу импульсного стабилизатора напряжения в режиме с ШИМ. При данном способе работы на вход диодного моста VD3 – VD6 подается внешний пилообразный сигнал, который выделяется на резисторе R10 и складывается с выходным напряжением дифференциального усилителя. Переключение транзисторов микросхемы К142ЕП1 и регулирующего транзистора VT13 осуществляется при помощи внешнего пилообразного сигнала. Если происходит изменение выходного напряжения, изменяется и напряжение на выходе дифференциального усилителя VT10, VT12, что приводит к смещению пилообразного сигнала и к изменению длительности импульсов транзисторов микросхемы и внешнего регулирующего транзистора. Поэтому выходное напряжение импульсного стабилизатора возвращается к первоначальному значению. Описанная в статье схема импульсного стабилизатора напряжения является уже устаревшей и почти не применяется в практике радиолюбителя. На данный момент применяются более совершенные и сложные схемы импульсных стабилизаторов. Но порой, что бы понять принцип работы сложного устройства, необходимо изучить более простые схемы. Да и для общего развития, что бы помнить как развивалась радиоэлектроника. В статье использованы материалы из: «Справочная книга радиолюбителя – конструктора» под редакцией Н. И. Чистякова. 1990 г. |
ресурсы |
Что такое импульсный регулятор? – АБЛИК Инк.
1. Основная роль Импульсный стабилизатор (преобразователь постоянного тока) — это регулятор (стабилизированный источник питания). Импульсный регулятор может преобразовывать входное напряжение постоянного тока (DC) в желаемое напряжение постоянного тока (DC).
В электронном или другом устройстве импульсный регулятор берет на себя роль преобразования напряжения от батареи или другого источника питания в напряжения, требуемые последующими системами.
Как показано на рисунке ниже, импульсный регулятор может создавать выходное напряжение (В OUT ), которое выше (повышающее, повышающее), ниже (понижающее, понижающее) или имеет полярность, отличную от полярности входного напряжения (V IN ).
2. Типы импульсных регуляторовИмпульсный регулятор представляет собой регулятор (стабилизированный источник питания), и существуют следующие типы импульсных регуляторов.
Регулятор (стабилизированный источник питания) | Коммутация Регулятор (DC-DC преобразователь) | Изолированный импульсный регулятор | ||
Неизолированный импульсный регулятор | ||||
Линейный регулятор | Шунтовой регулятор | |||
LDO-регулятор | ||||
В этой статье дается подробное объяснение особенностей и работы «неизолированных импульсных регуляторов».
Неизолированные импульсные регуляторытакже используют следующие системы и режимы работы.
Система преобразования напряжения | Понижающий, повышающий, повышающий/понижающий, инвертирующий |
---|---|
Система ректификации | Асинхронный, синхронный |
Режим работы | Переключение ЧИМ, ШИМ, ЧИМ/ШИМ |
Нажмите на термин, чтобы узнать больше.
3. Характеристики импульсного регулятораНиже приводится описание характеристик неизолированного импульсного стабилизатора.
Высокая эффективностьВключая и выключая переключающий элемент, импульсный регулятор обеспечивает высокоэффективное преобразование электроэнергии, поскольку он подает необходимое количество электроэнергии только тогда, когда это необходимо.
Линейный регулятор — это еще один тип регулятора (стабилизированный источник питания), но поскольку он рассеивает любые излишки в виде тепла в процессе преобразования напряжения между V IN и V OUT , он не так эффективен, как импульсный стабилизатор.
Самый простой способ объяснить, как импульсный регулятор может эффективно преобразовывать напряжение, — это сравнить его с линейным регулятором.
Например, если входное напряжение (V IN ) составляет 5,0 В, выходное напряжение (V OUT ) составляет 2,5 В, а ток нагрузки (I OUT ) составляет 0,1 А,
В линейном регуляторе
Входная мощность = входное напряжение × ток нагрузки
= 5,0 В × 0,1 А = 2,5 В × 0,1 А
= 0,25 Вт мощность ÷ потребляемая мощность, КПД линейного регулятора 50%.
Импульсный регулятор, однако, управляет периодом подачи входного напряжения, включая и выключая переключающий элемент так, чтобы V OUT становится 2,5 В. Этот период времени подачи входного напряжения равен
.V OUT V IN = 2.5V 5.0V = 1 2
Из этого мы видим, что напряжение подается на полпериода. Аналогично, если попытаться получить КПД из входной и выходной мощности, то получим следующее:
Входная мощность = Входное напряжение × Ток нагрузки × 1 2
= 5,0 В × 0,1 А × 1 20008
Входная мощность = выходное напряжение × ток нагрузки
= 2,5 В × 0,1 А
Рассчитав КПД по приведенному выше уравнению: КПД = Выходная мощность ÷ Входная мощность, получаем значение 100%. Вот почему импульсный регулятор обеспечивает высокий КПД.
*Поскольку есть реальные потери, реальная цифра составляет около 90%.
Операции ВКЛ/ВЫКЛ переключающего элемента в импульсном стабилизаторе вызывают внезапные изменения напряжения и тока, а также паразитные компоненты, вызывающие звон, все из которых вносят шум в выходное напряжение.
Использование соответствующей компоновки платы эффективно снижает уровень шума. Например, оптимизация размещения конденсатора и катушки индуктивности и/или проводки. Дополнительную информацию о механизме возникновения шума (звона) и способах его контроля см. в Указаниях по применению «Меры противодействия шуму понижающего импульсного регулятора».
Сравнение характеристик импульсного регулятора и линейного регулятора
Импульсный регулятор | Линейный регулятор | |
Система преобразования выходного напряжения | Понижающий, повышающий, повышающий/понижающий, инвертирующий | Только понижающий; V OUT должно быть меньше, чем V IN |
Эффективность | Высокий (незначительное выделение тепла) | Сравнительно низкое (высокое тепловыделение) Низкое, когда разница между входным и выходным напряжением велика |
Выходной ток | Большой (высокий КПД означает большой ток) | Маленький |
Шум | Большой | Маленький |
Выходная пульсация | Подарок | Нет |
Необходимые внешние компоненты | Многие C IN , C OUT , L, (SBD) | Несколько C IN , C OUT |
Сверхкомпактный преобразователь постоянного тока в постоянный, идеально подходящий для автомобильных камер
Номинальное напряжение 45 В, низкая пульсация | Интернет-магазин (Образец покупки) |
---|---|
S-19902/3 Серия Технический паспорт |
Для промышленного оборудования и бытовой техники
Вход 12/24 В, сверхкомпактный | Интернет-магазин (Образец покупки) |
---|---|
S-8580/1 Серия Технический паспорт |
Для IoT / носимых устройств
Сверхвысокая эффективность при небольшой нагрузке, компактность | Интернет-магазин (Образец покупки) |
---|---|
Серия S-85M0A Технический паспорт |
> Принципы работы и режимы импульсного регулятора
> Введение – ИС импульсных регуляторов (ИС преобразователей постоянного тока)
Линейные и импульсные регуляторы напряжения: Введение
Изучите основы как простых линейных стабилизаторов, так и более сложных импульсных регуляторов.
Опубликовано
Регуляторы напряжения являются неотъемлемой частью большинства электронных устройств. Функция регулятора напряжения заключается в обеспечении стабильного напряжения на выходе регулятора, в то время как входное напряжение может изменяться.
Регуляторы (а также зарядные устройства) можно разделить на линейные и импульсные. Поскольку линейные регуляторы гораздо проще понять, начнем с них, а затем перейдем к более сложным импульсным стабилизаторам.
Содержание
Линейные регуляторыЛинейные стабилизаторы можно рассматривать как устройства с переменным сопротивлением, внутреннее сопротивление которых изменяется для поддержания постоянного выходного напряжения. В действительности переменное сопротивление обеспечивается с помощью транзистора, управляемого контуром обратной связи усилителя.
youtube.com/embed/Ywvx4I46fq8″ title=»YouTube video player» frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»>Линейные регуляторы обычно состоят как минимум из трех контактов — входного входа, выходного контакта и контакта заземления.
Внешние конденсаторы размещаются на входных и выходных клеммах для обеспечения фильтрации и улучшения переходных характеристик при внезапных изменениях нагрузки. Выходной конденсатор также необходим для стабильности цепи обратной связи регулятора напряжения.
Получите БЕСПЛАТНОЕ полное руководство — Как разработать новый электронный аппаратный продукт
Количество тока, протекающего через регулятор, и количество энергии, рассеиваемой в устройстве, будут влиять на выбор корпуса устройства и требования к радиатору.
Линейные регуляторы гораздо менее эффективны, чем импульсные регуляторы, и поэтому расходуют больше энергии, которая рассеивается в виде тепла.
Если устройство будет рассеивать более 100 мВт, рекомендуется провести более тщательный тепловой анализ с учетом максимальной рабочей температуры и теплового сопротивления корпуса ИС (известного как Theta-JA).
Если регулятор указывает тета-JA 50°C/Вт, это означает, что температура самой микросхемы (называемая температурой перехода) будет повышаться на 50°C на каждый ватт рассеиваемой мощности.
Большинство интегральных схем рассчитаны на температуру перехода до 125°C. Так, например, если регулятор с тета-JA 50°C/Вт рассеивает 1 Вт, то максимальная температура окружающей среды, в которой он может использоваться, будет 125°C – 50°C = 75°C.
Для линейных регуляторов требуется входное напряжение, превышающее выходное. Минимальная разница уровней напряжения между входом и выходом называется падением напряжения. Для обычного линейного регулятора напряжения падение напряжения составляет около 2 вольт.
Регуляторы с малым падением напряжения (LDO) могут регулировать напряжение менее 100 мВ. Однако их способность подавлять шумы и пульсации на входе будет значительно снижена ниже примерно 500 мВ.
Для большинства применений линейный стабилизатор или, точнее, регулятор LDO, имеет больше смысла, если входное напряжение не превышает выходное напряжение более чем на пару вольт.
В противном случае регулятор будет тратить слишком много энергии, и лучше использовать более эффективный импульсный регулятор.
Линейные регуляторы имеют три основных преимущества. Они просты, дешевы и обеспечивают исключительно «чистое» выходное напряжение.
Импульсные регуляторыИмпульсные регуляторы преобразуют одно напряжение в другое, временно накапливая энергию, а затем высвобождая эту накопленную энергию на выходе с другим напряжением.
Термины «преобразователь постоянного тока в постоянный», «импульсный источник питания» (SMPS), «импульсный регулятор» и «импульсный преобразователь» относятся к одному и тому же. Они работают, управляя твердотельным устройством, таким как транзистор или диод, которое действует как переключатель.
Переключатель прерывает подачу тока к компоненту накопления энергии, такому как конденсатор или катушка индуктивности, для преобразования одного напряжения в другое.
Существует много типов топологий импульсных стабилизаторов, включая три наиболее распространенных:
Понижающие (понижающие) импульсные регуляторы
Понижающий преобразователь может понижать более высокое напряжение на входе до более низкого напряжения. на выходе. Это похоже на линейный регулятор, за исключением того, что понижающий регулятор потребляет гораздо меньше энергии.
Если входное напряжение намного выше желаемого выходного напряжения, понижающий стабилизатор обычно предпочтительнее линейного стабилизатора.
Повышающие импульсные регуляторы
Повышающий преобразователь способен развивать более высокое напряжение на выходе, чем на входе. Например, повышающий преобразователь можно использовать для получения постоянного напряжения 5 В или 12 В постоянного тока от одной литий-ионной батареи на 3,7 В постоянного тока.
Импульсные регуляторы Buck/Boost (понижающие/повышающие)
Понижающий/повышающий преобразователь, как вы могли догадаться, способен обеспечивать фиксированное выходное напряжение из входного напряжения, которое может изменяться выше и ниже выходного напряжения.
Этот тип регулятора напряжения очень удобен в оборудовании с батарейным питанием, где входное напряжение со временем падает.
Самая простая топология — это просто описанная выше схема понижающего преобразователя, за которой следует схема повышающего преобразователя. Две катушки индуктивности соединены последовательно, поэтому их можно объединить в одну катушку индуктивности.
В этом уроке я разрабатываю печатную плату с использованием простого линейного стабилизатора, а в этом более подробном курсе я разрабатываю пользовательскую плату с использованием более сложного импульсного стабилизатора.
Сводка общих спецификаций для регуляторов напряженияНезависимо от того, является ли стабилизатор напряжения линейным регулятором или импульсным регулятором, разработчикам необходимо базовое понимание параметров, характеризующих работу регулятора.
Выходное напряжение: Выходное напряжение может быть фиксированным или регулируемым. Если фиксировано, напряжение устанавливается внутри устройства, и вы покупаете конкретный номер детали для желаемого выходного напряжения.
Если регулятор регулируемого типа, напряжение обычно устанавливается делителем напряжения, состоящим из двух резисторов. Это обеспечивает некоторую гибкость, но за счет дополнительных компонентов.
Входное напряжение: Необходимо строго соблюдать указанные минимальное и максимальное входное напряжение. Они просто не будут работать ниже минимального напряжения и будут повреждены при работе выше максимального напряжения.
Токовый выход: Максимальный ток, который может обеспечить регулятор напряжения, ограничен и обычно определяется пропускной способностью внутреннего силового транзистора. Все решения для регуляторов IC включают встроенную схему ограничения тока для предотвращения повреждений.
Пульсации на выходе или Коэффициент ослабления источника питания (PSRR): Пульсации на выходе относятся к небольшим колебаниям выходного напряжения. Величину пульсаций выходного напряжения очень важно учитывать, поскольку многие типы схем будут чувствительны к любому шуму на их входном питании.
Линейные регуляторы подавляют входные пульсации без добавления дополнительных пульсаций. Их способность подавлять пульсации определяется коэффициентом подавления источника питания (PSRR). Чем выше PSRR, тем лучше линейный регулятор подавляет любые пульсации входного напряжения.
Импульсные регуляторы, с другой стороны, создают пульсации на выходе из-за своей природы переключения. Величину пульсаций импульсного преобразователя можно уменьшить путем фильтрации и тщательного выбора компонентов.
Обычный метод проектирования заключается в использовании импульсного регулятора для понижения напряжения питания с минимальным рассеиванием мощности, а затем линейного регулятора для устранения любых пульсаций.
Многие малошумящие линейные стабилизаторы с высоким PSRR имеют дополнительный вывод, обычно называемый выводом NR или выводом для подавления шума. Размещение конденсатора емкостью около 10 нФ на этом выводе для заземления помогает отфильтровать шум и пульсации внутреннего источника опорного напряжения и, следовательно, выходного напряжения.
Шум: Многие электронные компоненты, такие как резисторы и транзисторы, также производят основной физический шум, который обычно путают с пульсациями. Шум будет проявляться как случайные колебания выходного напряжения по сравнению с пульсациями, которые будут проявляться в виде небольшого периодического сигнала.
Несмотря на то, что они не связаны с пульсациями, те же методы, которые уменьшают пульсации на выходе, также обычно уменьшают шум – в основном, это использование шумоподавляющего конденсатора.
Регулировка нагрузки: Регулирование нагрузки относится к способности регулятора поддерживать стабильное выходное напряжение при изменении тока нагрузки. Эта спецификация часто указывается в описании устройства в виде графика зависимости выходного напряжения от тока нагрузки.
Линейное регулирование: Колебания входного напряжения регулятора могут вызывать колебания выходного напряжения, и линейное регулирование является мерой этих изменений.
Линейный переходный процесс: Это мера реакции выходного напряжения на резкое скачкообразное изменение входного напряжения. Как и при переходных процессах нагрузки, выходное напряжение будет иметь небольшой выброс или понижение, поскольку петля обратной связи регулятора реагирует на внезапное изменение. Регуляторы с высоким значением PSRR (т. е. с низкими пульсациями на выходе) обычно имеют наилучшие переходные характеристики в линии.
Падение напряжения: Падение напряжения для классических линейных стабилизаторов, таких как серии LM317 или LM78xx, составляет около 2 вольт. Это означает, что входное напряжение должно быть как минимум на 2 вольта выше, чем выходное напряжение для работы регулятора.
Регуляторы с малым падением напряжения (LDO) могут работать с гораздо меньшей разницей входного и выходного напряжения. Например, семейство стабилизаторов с малым падением напряжения TPS732 имеет диапазон входного напряжения от 1,7 до 5,5 В и падение напряжения 40 мВ при 250 мА.
Эффективность: Эффективность — это мера того, сколько энергии тратится регулятором впустую. Как упоминалось ранее, линейный регулятор расходует гораздо больше энергии, чем импульсный стабилизатор. Это означает, что линейный регулятор имеет гораздо более низкий КПД. КПД можно рассчитать, разделив выходную мощность на входную мощность.
Таким образом, если выходная мощность такая же, как и входная мощность, тогда КПД равен 100%, и регулятор не тратит энергию впустую. Это идеальный, но недостижимый сценарий. Большинство импульсных регуляторов имеют КПД 80-90%.
Эффективность линейного регулятора зависит от отношения входного напряжения к выходному напряжению. Это связано с тем, что для линейного регулятора входной ток всегда практически идентичен выходному току.
Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на ток, токи в уравнении эффективности компенсируются, оставляя только напряжения. Это означает, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем хуже эффективность линейного регулятора.
Так, например, для линейного регулятора с входным напряжением 5 В постоянного тока и выходным напряжением 3,3 В постоянного тока КПД составляет:
Эффективность = 3,3 В постоянного тока / 5 В постоянного тока = 66 % эффективность падает до
Эффективность = 3,3 В постоянного тока / 12 В постоянного тока = 27,5%
, что означает, что 72,5% мощности тратится линейным регулятором впустую!
Основное преимущество стабилизаторов с малым падением напряжения заключается в том, что они обеспечивают выходное напряжение, очень близкое к входному напряжению, что означает, что эффективность регулятора намного выше.
Например, при генерировании выходного напряжения 3,3 В постоянного тока от литий-ионной батареи 3,7 В постоянного тока требуется LDO с падением напряжения менее 400 мВ. При этих напряжениях КПД составляет 3,3 В постоянного тока / 3,7 В постоянного тока = 89%, что сравнимо с высокоэффективным понижающим стабилизатором.
В отличие от линейного стабилизатора, идеальный импульсный стабилизатор будет иметь эффективность 100%, что означает, что входная мощность равна выходной мощности. Это означает, что входной ток никогда не будет таким же, как выходной ток.
На самом деле, входной ток всегда будет меньше, чем выходной ток для понижающего регулятора, и он всегда будет выше, чем выходной ток для повышающего регулятора.
Выходной конденсатор: Размер выходного конденсатора имеет решающее значение как для линейных, так и для импульсных стабилизаторов, поэтому обязательно следуйте рекомендациям, приведенным в техническом описании. В большинстве случаев керамический конденсатор (с тепловым классом X7R или X5R) является лучшим выбором.
Керамические конденсаторы имеют очень низкое паразитное сопротивление (так называемое эквивалентное последовательное сопротивление или ESR), которое обычно улучшает переходную характеристику регулятора. Будьте осторожны, потому что некоторые регуляторы требуют использования танталовых конденсаторов с более высоким ESR, чтобы стабилизировать контур управления обратной связью.
Электромагнитные помехи (EMI)Одной из проблем при проектировании импульсных источников питания является возможность возникновения электромагнитных помех (EMI).
Переключение активного устройства, которое может происходить на частотах от сотен килогерц до нескольких мегагерц, может генерировать широкий спектр излучений. Эти излучения могут передаваться и излучаться на расположенное рядом оборудование, вызывая вредные помехи или даже собственные помехи.
Имейте в виду, что разводка печатной платы для импульсного регулятора очень критична, гораздо важнее, чем для линейного регулятора. Поэтому обязательно внимательно следуйте рекомендациям по компоновке в таблице данных.
Если в техпаспорте выбранного вами импульсного стабилизатора нет указаний по компоновке, я настоятельно рекомендую выбрать другой стабилизатор.
ЗаключениеКогда энергоэффективность не имеет значения или когда входное напряжение лишь немного превышает выходное, лучшим выбором обычно является линейный регулятор. Линейные регуляторы обычно дешевле, менее сложны и требуют меньше компонентов.
Если требуется действительно чистое выходное напряжение без пульсаций, лучшим выбором также будет линейный регулятор.
С другой стороны, если энергоэффективность является ключевым фактором или входное напряжение намного выше требуемого выходного напряжения, то лучшим выбором будет понижающий преобразователь.
Если требуется более высокое выходное напряжение, чем входное, то выбор прост – с этим справится только повышающий стабилизатор.
Как и во всех аспектах инженерии, между различными решениями всегда есть компромиссы.