Розуміння лінійних регуляторів LDO
Для того, щоб регулятор низького рівня відключення (LDO) подавав чисту вихідну напругу і оптимально функціонував, особливо при більш високих рівнях струму, необхідно вибрати правильні параметри та параметри.
Для більшості областей застосування специфікації основних параметрів паспорта є достатніми і зрозумілими. На жаль, у технічних паспортах не вказані параметри для всіх можливих умов перемикання. Тому, щоб отримати максимум користі від LDO, необхідно розуміти ключові параметри продуктивності та їх вплив на задані навантаження. Розробники повинні мати можливість визначити, чи відповідає LDO для певного навантаження, ретельно аналізуючи умови перемикання навколишнього середовища.
У цій статті розглядаються основні параметри продуктивності LDO та їх вплив на подачу чистої вихідної напруги до різних компонентів електронної системи. Крім того, ми обговорюємо фактори, які розробник повинен врахувати, щоб оптимізувати систему, особливо на вищих поточних рівнях.
Як лінійні регулятори (LDO) використовуються в додатках
У більшості застосувань LDO в основному використовуються для ізоляції чутливого навантаження від шумного джерела живлення. На відміну від комутаційних регуляторів, лінійні регулятори мають втрати потужності в прохідному транзисторі або MOSFET, який використовується для регулювання та підтримки вихідної напруги з необхідною точністю. З цієї причини розсіювання потужності LDO може бути суттєвим недоліком з точки зору ефективності та викликати теплові проблеми. Тому важливо, щоб розробники мінімізували розсіювання потужності LDO, тим самим підвищуючи ефективність системи та уникаючи будь-яких теплових ускладнень.
LDO є одними з найдавніших та найбільш широко використовуваних пристроїв регулювання напруги, але багато їх ключових показників ефективності недостатньо глибокі, або, принаймні, їх потенціал не використовується в повній мірі. Хоча вартість є важливим фактором, використання LDO в першу чергу визначається вимогами до продуктивності системи та прийнятним рівнем перешкод від навантаження, що обслуговується. LDO також використовуються для зменшення шуму, а також для усунення проблем, спричинених електромагнітними перешкодами (EMI) та маршрутизацією друкованих плат.
При дуже низьких струмових навантаженнях розсіювання потужності LDO є дуже незначним; тому це очевидний вибір через його простоту, вартість та зручність у використанні. На відміну від цього, при великих струмових навантаженнях, що перевищують 500 мА, інші фактори стають більш важливими і, в деяких випадках, є вирішальними. У цих додатках розробникам систем важливо враховувати параметри продуктивності, вага яких збільшується із вищими рівнями струму, наприклад напруга відключення, регулювання навантаження та перехідні характеристики.
Оскільки LDO є своєрідними лінійними регуляторами, їх часто порівнюють із звичайними лінійними регуляторами, особливо з точки зору вартості. Тут слід зазначити, що наскрізний елемент є серцем LDO, і це, а також схеми, що оточують його, визначають ефективність LDO.
LDO складається з трьох основних функціональних елементів: опорної напруги, елемента безперервності та підсилювача помилок, як показано на малюнку 1. Під час нормальної роботи елемент безперервності діє як джерело струму для регулятора напруги. Елемент проходу управляється компенсованим керуючим сигналом від підсилювача помилок, який виявляє вихідну напругу і порівнює її з опорною напругою.
Всі ці функціональні блоки впливають на продуктивність LDO. Паспорти виробників LDO завжди містять специфікації, що описують роботу цих функціональних елементів.
Як показано на малюнку 2, в конструкціях регуляторів LDO зазвичай є чотири різних типи прохідних елементів: регулятори на основі транзисторів NPN, регулятори на основі транзисторів PNP, N-канальний MOSFET-транзистор і P-канальний MOSFET на основі контролера.
Загалом, транзисторні регулятори характеризуються вищою напругою відключення порівняно з регуляторами на основі MOSFET. Крім того, струм базового приводу транзисторного прохідного елемента на основі транзистора регулятора пропорційний вихідному струму. Це безпосередньо впливає на струм спокою регулятора на основі транзистора. Для порівняння, прохідний елемент MOSFET використовує напругу на ізольованому затворі для зменшення його струму спокою значно більше, ніж регулятор на основі транзистора.
Важливі параметри в контролері з низьким відсівом
Напруга випадання: Випадаюча напруга визначається як різниця між вхідною та вихідною напругами в точці, в якій подальше падіння вхідної напруги призводить до збою регулювання вихідної напруги. В умовах відсіву елемент безперервності працює в лінійному діапазоні і поводиться як резистор. У сучасній LDO прохідний елемент зазвичай реалізується з транзисторами PMOS або NMOS, завдяки чому може бути досягнута напруга відключення від 30 до 500 мВ. На рисунку 3 показано напруга відключення модуля LDL ISL80510, який використовує PMOS FET як наскрізний елемент.
Регулювання навантаження: Регулювання навантаження визначається як зміна вихідної напруги для даної зміни навантаження. Зазвичай воно коливається від нульового до повного навантаження, що визначається наступним рівнянням 1.
Регулятор навантаження вказує на продуктивність прохідного елемента та коефіцієнт посилення в контурі керування постійним струмом. Чим вище коефіцієнт підсилення постійного струму із замкнутим контуром, тим краще регулювання навантаження.
Регулювання лінії: Регулювання лінії - це зміна вихідної напруги для даної зміни вхідної напруги, визначена у рівнянні 2 нижче:
Оскільки управління лінією також залежить від продуктивності прохідного елемента та коефіцієнта посилення постійного струму контуру управління, операція відсівання часто не враховується при розгляді управління лінією. Отже, мінімальна вхідна напруга для регулювання лінії повинна бути вище напруги відключення.
Проникнення напруги живлення (PSRR, коефіцієнт відхилення джерела живлення): PSRR - це значення, яке вказує на здатність LDO зменшувати коливання вихідної напруги, спричинені вхідною напругою, див. Малюнок 3. Хоча регулювання лінії враховується лише для постійного струму, PSRR повинен мати повинен дотримуватися широкий діапазон частот (див. рівняння 3 нижче):
У звичайному замкнутому керуванні вихідну напругу малого сигналу можна виразити, як зазначено у рівнянні 4 нижче:
Де V * in - вхідна напруга малого сигналу, Gvg - функція передачі розімкнутого контуру від вхідної до вихідної напруги, kv - коефіцієнт підсилення датчика вихідної напруги, GC - функція передачі компенсатора, Goc - функція передачі розімкнутого циклу від керуючого сигналу до вихідної напруги і kv GC Goc - передавальна функція замкненого контуру управління T (s).
Рівняння 3 і 4 чітко показують, що PSRR складається з коефіцієнта підсилення замкненого контуру управління T (s) і зворотного значення передавальної функції відкритого контуру управління від вхідної до вихідної напруги 1/Gvg (див. Малюнки 4 і 5). Якщо на нижчих частотах переважає передавальна функція замкнутого контуру управління, то на більш високих частотах передавальна функція відкритого контуру управління бере на себе.
Інші важливі параметри LDO
Шум: Цей параметр, як правило, відноситься до шуму у вихідній напрузі, що генерується самим LDO, що є невід'ємною характеристикою опорної напруги ширини смуги. Рівняння 4 вище показує залежність між опорною напругою та вихідною напругою. Однак, на жаль, функція передачі по замкнутому циклу не застосовується до придушення перешкод від опорної напруги до вихідної напруги. З цієї причини для більшості малошумних LDO потрібен додатковий фільтр для запобігання перешкод від потрапляння в контур управління.
Перехідна поведінка: LDO зазвичай використовуються в додатках, в яких контроль в точці навантаження (PoL; точка навантаження) є важливим, наприклад, в блоці живлення цифрових ІС, ЦСП, ПЛІС та енергозберігаючих ЦП. Навантаження в таких додатках працює з декількома режимами роботи, які вимагають різного струму живлення. Отже, LDO повинен швидко реагувати, щоб утримати напругу живлення в необхідних межах. Це робить перехідну поведінку LDO одним із вирішальних параметрів продуктивності.
Як і у всіх замкнутих контурах управління, перехідна реакція головним чином залежить від пропускної здатності передавальної функції контуру управління. Для досягнення найкращої перехідної поведінки пропускна здатність контуру управління повинна бути якомога більшою, забезпечуючи при цьому достатній запас фаз для підтримки стабільності.
Струм спокою: Струм спокою (або струм витоку) LDO - це комбінація зворотного зв'язку та приводного струму прохідного елемента; його зазвичай тримають якомога нижче. Крім того, якщо в якості прохідних елементів використовують PMOS або NMOS-транзистори, струм спокою залишається відносно не впливає струмом навантаження. Оскільки струм спокою не протікає через вихід, це впливає на ефективність LDO, яку можна обчислити з наступного рівняння 5:
Розсіювання потужності в LDO визначається Vin * (Iq + Iout) - Vout * Iout. Для оптимізації ефективності LDO слід зменшити як струм спокою, так і різницю між вхідною та вихідною напругами. Ця різниця безпосередньо впливає на ефективність та втрати потужності, так що, як правило, переважно найнижча напруга відключення.
Хоча лінійний регулятор не може забезпечити перетворення з високою ефективністю порівняно з імпульсним джерелом живлення (SMPS), він використовується як необхідний регулятор напруги в багатьох сучасних додатках. У програмах, чутливих до перешкод, ДМПС дуже важко досягти необхідної залишкової пульсації на виході, щоб задовольнити вузькі специфікації шуму. Як результат, нерідкі випадки, коли LDO додається до виходу SMPS як активний фільтр. Цей LDO повинен мати високий PSRR на частоті комутації імпульсного джерела живлення.
LDO-регулятори особливо підходять для застосувань, вихідна напруга яких повинна регулюватися лише трохи нижче вхідної напруги. Незважаючи на те, що перетворювачі зворотного і підсилювального режимів мають обмеження для максимального/мінімального робочого циклу, регулювання втрачається з їх вихідною напругою, коли вхідна напруга близька до вихідної напруги.
* Sitthipong Angkititrakul - інженер додатків,
* Дананджай Сингх - менеджер з маркетингу продуктів в Інтерсілі, Мілпітас/Каліфорнія.