Spínacie regulátory verzus lineárne regulátory All-Electronics
Na prvý pohľad
Lineárne regulátory určite nie sú tým správnym riešením pre všetky možné scenáre, ale vzhľadom na pokroky - nižšie prevádzkové napätia, MOSFETy s menšími odpormi, ako aj vylepšenia samotných lineárnych regulátorov a ďalších komponentov v obvode, by sa vývojári mali na túto tému znova pozrieť a ako alternatívu použiť lineárne regulátory. Zvážte prepínanie regulátorov.
Väčšina ľudí považuje otázku, či sú spínacie regulátory alebo lineárne regulátory za lepšie riešenie, ktoré sme už dávno vyriešili, rovnako ako diskusia o sieťach striedavého alebo jednosmerného prúdu už dávno skončila. Podľa konvenčného pohľadu sú lineárne regulátory jednoduché a lacné, ale tiež neúčinné; sú preto vhodné iba pre aplikácie citlivé na náklady, pri ktorých má energetická účinnosť druhoradý význam, je potrebné napájať iba malé záťaže alebo požadované výstupné napätie je len mierne pod vstupným napätím.
Lineárny regulátor
Základná funkčnosť lineárneho regulátora je veľmi jednoduchá: Medzi zdrojom napätia a záťažou je umiestnený rezistor s premennou sériou vo forme tranzistora. Tento odpor je regulovaný v závislosti na zaťažovacom prúde tak, aby vzniklo konštantné výstupné napätie. Strata výkonu úmerná prúdu záťaže a rozdielu medzi vstupným napätím a výstupným napätím sa vyskytuje v tranzistore a stráca sa vo forme tepla. Výstupné napätie lineárneho regulátora je všeobecne nižšie ako vstupné napätie a efektívna regulácia je možná iba vtedy, ak rozdiel napätia medzi vstupom a výstupom neklesne pod určitú minimálnu hodnotu, ktorá sa označuje ako vypadávajúce napätie. V minulosti bolo toto vypadávajúce napätie okolo 1,5 V. Vstupné napätie musí byť dostatočne veľké, aby sa udržal tento minimálny rozdiel napätia.
3-A lineárny regulátor APE 8968MP-HF-3. Pokročilá výkonová elektronika
Technológia sa však v priebehu rokov vyvíjala. Dnes sú veľké rozdiely napätia medzi zdrojom napätia a záťažou skôr výnimkou ako pravidlom. Mnoho dosiek teraz pracuje s výrazne nižším prevádzkovým napätím, ako bolo bežné v minulosti. Nie je nezvyčajné, že najvyššie prevádzkové napätie na doske je iba 3,3 V. Mnoho pamäťových modulov, procesorov, mikrokontrolérov a ASIC v súčasnosti pracuje s napätím iba 1,8 V, 1,2 V alebo dokonca menej ako 1 V. To znamená, že rozsah napätia, ktorý sa musí regulovať, sa výrazne zmenšil. Niektoré dizajny dnes dokonca fungujú úplne bez prepínania regulátorov, pretože moderné lineárne regulátory umožňujú efektívnu reguláciu na týchto napäťových úrovniach.
Je to hlavne vďaka vylepšeným technológiám komponentov. Kľúčovou súčasťou lineárneho regulátora pre energetickú účinnosť je sériový tranzistor. Moderná technológia MOSFET umožňuje vysoko efektívne a extrémne kompaktné MOSFETy s veľmi nízkym odporom. To má okamžitý vplyv na vypadávajúce napätie. Po mnoho rokov sa lineárne regulátory s poklesom napätia 1,4 V považovali za regulátory s nízkym poklesom (LDO). Drasticky vylepšená technológia MOSFET teraz umožňuje výpadky napätia niekoľko stoviek milivoltov, a to aj pri vysokých prúdoch záťaže. Tieto regulátory sú efektívnym riešením pre aplikácie, kde je výstupné napätie len mierne pod vstupným napätím. V týchto prípadoch môžu moderné lineárne regulátory dosiahnuť účinnosť od 85% do 87%.
Vypadávacie napätie iba 0,23 V pri 3 A.
Zapojenie 3-A lineárneho regulátora APE 8968MP-HF-3 s výstupným kondenzátorom, ktorý má sériový odpor (ESR) viac ako 20 mOhm. Pokročilá výkonová elektronika
Medzi tieto takzvané lineárne regulátory s „veľmi nízkym odstupom“ patrí nedávno predstavený APE 8968MP-HF-3 od spoločnosti Advanced Power Electronics - 3-A lineárny regulátor, ktorý pracuje vysoko efektívne v aplikáciách s rozdielom vstupného/výstupného napätia iba 300 mV. Regulátor je určený pre jednoduché aplikácie prevodníka DC/DC typu point-of-load (POL), napríklad aplikácie pre základné dosky a notebooky, a vyžaduje dve prevádzkové napätia - jedno hlavné prevádzkové napätie a druhé na riadenie MOSFET. -Brány. Typické vypadávacie napätie tohto regulátora je iba 0,23 V pri 3 A.
Je ľahké prehliadnuť skutočnosť, že lineárne regulátory vždy mali v určitých situáciách oproti prepínaniu regulátorov určité výhody. Napríklad strata výkonu lineárneho regulátora, ktorý sa prevádza na teplo, je v mnohých prípadoch menšia ako strata spínacieho regulátora, keď je zaťaženie malé alebo je rozdiel vstupného/výstupného napätia malý. Ďalším dôležitým aspektom je hluk; to platí najmä pre aplikácie na spracovanie signálu a čoraz viac aj pre osobné lekárske prístroje. Spínacie regulátory vyžadujú, aby komponenty filtra potlačili spínaciu frekvenciu, ktorá môže byť kdekoľvek medzi 300 kHz a 1,5 MHz. Tieto komponenty spôsobujú ďalšie náklady a zaberajú miesto na doske s plošnými spojmi. Pretože lineárne regulátory sa neprepínajú, vytvárajú podstatne menší šum. To šetrí komponenty a náklady a tiež zvyšuje spoľahlivosť. Lineárne regulátory sú navyše jednoduchšie a menšie súčasti, čo šetrí priestor a hmotnosť DPS.
Každé dizajnové rozhodnutie je kompromisom
Lineárny regulátor 3-A APE 8968MP-HF-3 je zapojený s výstupným kondenzátorom MLCC (viacvrstvový keramický kondenzátor). Pokročilá výkonová elektronika
V praxi si musia vývojári zvoliť riešenie, pomocou ktorého môžu dosiahnuť požadovaný výkon systému a rýchlosť práce v stanovenom čase vývoja a v stanovenom rámci nákladov. Pre aplikácie, ktoré si vyžadujú reguláciu smerom nahor, lineárne regulátory samozrejme neprichádzajú do úvahy, pretože môžu regulovať iba smerom nadol. V batériových aplikáciách a vreckových zariadeniach, kde životnosť a účinnosť batérie majú najvyššiu prioritu, môže byť spínací regulátor optimálnym a „jediným správnym“ riešením. Existuje však mnoho ďalších aplikácií, v ktorých je účinnosť rádovo 85 až 87 percent úplne dostatočná, najmä vzhľadom na značné dodatočné náklady na spínací regulátor. Dôležitým aspektom môže byť tiež podstatne nižší počet komponentov a zodpovedajúco vyššia spoľahlivosť riešenia lineárneho regulátora.