Перемикання регуляторів проти лінійних регуляторів All-Electronics
З одного погляду
Лінійні регулятори, безумовно, не є правильним рішенням для кожного можливого сценарію, але з огляду на досягнення - нижчі робочі напруги, MOSFET з меншим опором, а також вдосконалення самих лінійних регуляторів та інших компонентів в ланцюзі - розробники повинні знову підійти до теми та використовувати лінійні регулятори як альтернативу Розглянемо перемикання регуляторів.
Більшість людей розглядає питання, чи є комутаційні регулятори чи лінійні регулятори кращим рішенням, яке вже давно вирішено - так само, як дискусія про мережі змінного та постійного струму вже давно закінчилася. Згідно з загальноприйнятим уявленням, лінійні регулятори прості і недорогі, але також неефективні; тому вони підходять лише для економічно важливих застосувань, в яких енергоефективність має другорядне значення, потрібно подавати лише невеликі навантаження або бажана вихідна напруга лише трохи нижче вхідної напруги.
Лінійний регулятор
Основна функціональність лінійного регулятора дуже проста: резистор змінної послідовності у вигляді транзистора розташований між джерелом напруги та навантаженням. Цей опір регулюється залежно від струму навантаження таким чином, що виникає постійна вихідна напруга. Втрати потужності, пропорційні струму навантаження та різниці між вхідною та вихідною напругою, виникають у транзисторі і втрачаються у вигляді тепла. Вихідна напруга лінійного регулятора, як правило, нижча за вхідну напругу, і ефективне регулювання можливе лише в тому випадку, якщо різниця напруг між вхідною та вихідною напругами не опускається нижче певного мінімального значення, яке називається напругою відключення. Раніше ця напруга відключення становила близько 1,5 В. Вхідна напруга повинна бути достатньо великою, щоб підтримувати цю мінімальну різницю напруг.
3-A лінійний регулятор APE 8968MP-HF-3. Удосконалена силова електроніка
Однак технологія розвивалася протягом багатьох років. Сьогодні великі різниці напруг між джерелом напруги та навантаженням є скоріше винятком, ніж правилом. Зараз багато плат працюють із значно нижчими робочими напругами, ніж це було звичайно в минулому. Нерідкі випадки, коли найвища робоча напруга на платі становить лише 3,3 В. Багато модулів флеш-пам'яті, процесори, мікроконтролери та ASIC зараз працюють з напругою лише 1,8 В, 1,2 В або навіть менше 1 В. Це означає, що діапазон напруги, який необхідно регулювати, став значно меншим. Деякі конструкції сьогодні навіть проходять без перемикання регуляторів, оскільки сучасні лінійні регулятори забезпечують ефективне регулювання на цих рівнях напруги.
Це головним чином завдяки вдосконаленим технологіям компонентів. Ключовим компонентом лінійного регулятора для енергоефективності є послідовний транзистор. Сучасна технологія MOSFET забезпечує високоефективні, надзвичайно компактні MOSFET з дуже низьким опором. Це негайно впливає на напругу відключення. Протягом багатьох років лінійні регулятори з напругою відключення 1,4 В вважалися регуляторами низького відсіву (LDO). Суттєво вдосконалена технологія MOSFET сьогодні забезпечує напругу відсіву в декілька сотень мілівольт навіть при високих струмах навантаження. Ці регулятори є ефективним рішенням для застосувань, де вихідна напруга лише трохи нижче вхідної напруги. У цих випадках сучасні лінійні регулятори можуть досягти ефективності від 85 до 87 відсотків.
Напруга випадання лише 0,23 В при 3 А.
Проводка 3-A лінійного регулятора APE 8968MP-HF-3 з вихідним конденсатором, що має послідовний опір (ESR) більше 20 мОм. Удосконалена силова електроніка
До цих так званих лінійних регуляторів "ультранизького виходу" входить нещодавно представлений APE 8968MP-HF-3 від Advanced Power Electronics - 3-A лінійний регулятор, який працює дуже ефективно в додатках з різницею вхідної/вихідної напруги лише 300 мВ. Контролер призначений для простих вбудованих перетворювачів постійного/постійного струму (POL), наприклад, материнської плати та ноутбуків, і вимагає двох робочих напруг - однієї основної робочої напруги та іншої для управління MOSFET -Гейтс. Типова напруга відключення цього регулятора становить лише 0,23 В при 3 А.
Легко пропустити той факт, що лінійні регулятори завжди мали певні переваги перед перемиканням регуляторів у певних ситуаціях. Наприклад, розсіювання потужності лінійного регулятора, перетвореного в тепло, у багатьох випадках менше, ніж у імпульсного регулятора, коли навантаження низьке або різниця вхідної/вихідної напруги невелика. Іншим важливим аспектом є шум; це особливо актуально для програм обробки сигналів і, дедалі частіше, для особистих медичних пристроїв. Комутаційні регулятори вимагають компонентів фільтра для придушення частоти перемикання, яка може бути десь між 300 кГц та 1,5 МГц. Ці компоненти спричиняють додаткові витрати та займають місце на друкованій платі. Оскільки лінійні регулятори не перемикаються, вони генерують значно менше шуму. Це економить компоненти та витрати, а також підвищує надійність. Крім того, лінійні регулятори є більш простими і меншими компонентами, тим самим економить простір і вагу друкованої плати.
Кожне дизайнерське рішення - це компроміс
3-A лінійний регулятор APE 8968MP-HF-3 підключений до MLCC (багатошарового керамічного конденсатора) як вихідний конденсатор. Удосконалена силова електроніка
На практиці розробники повинні визначитися з рішенням, за допомогою якого вони зможуть досягти необхідної продуктивності системи та швидкості роботи в межах зазначеного часу розробки та в межах визначених рамок витрат. Для застосувань, які потребують регулювання вгору, про лінійні регулятори, звичайно, не може бути й мови, оскільки вони можуть регулювати лише зниження. У додатках, що працюють від акумуляторів, і портативних пристроях, де тривалість роботи та ефективність батареї мають головний пріоритет, регулятор перемикання може бути оптимальним та «єдино правильним» рішенням. Однак існує багато інших застосувань, в яких ефективність порядку від 85 до 87 відсотків є цілком достатньою, особливо з огляду на значні додаткові витрати регулятора перемикання. Значно менша кількість компонентів і відповідно вища надійність рішення лінійного контролера також можуть бути важливими аспектами.