Меню

Стабилизатор линейного напряжения характеристики

Линейные стабилизаторы напряжения — назначение, основные параметры и схемы включения

Пожалуй ни одна электронная плата не обходится сегодня хотя бы без одного источника стабильного постоянного напряжения. И очень часто именно линейные стабилизаторы напряжения в виде микросхем служат в качестве таких источников. В отличие от выпрямителя с трансформатором, у которого напряжение так или иначе зависит от тока нагрузки и может немного колебаться по разным причинам, интегральная микросхема — стабилизатор (регулятор) способна дать постоянное напряжение в точно определенном диапазоне токов нагрузки.

Линейные стабилизаторы напряжения - назначение, основные параметры и схемы включения

Данные микросхемы строятся на основе полевых или биполярных транзисторов, непрерывно работающих в активном режиме. Кроме регулирующего транзистора, на кристалле микросхемы линейного стабилизатора установлена еще и схема управления им.

Исторически, прежде чем появилась возможность изготавливать такие стабилизаторы в виде микросхем, стоял вопрос о решении проблемы температурной стабильности параметров, ведь с нагревом в процессе работы, параметры узлов микросхемы изменялись бы.

Решение пришло в 1967 году, когда американский инженер-электронщик Роберт Видлар предложил такую схему стабилизатора, в которой регулировочный транзистор включался бы между источником нестабилизированного входного напряжения и нагрузкой, а в схеме управления присутствовал бы усилитель ошибки с термокомпенсированным источником опорного напряжения. В итоге популярность линейных интегральных стабилизаторов на рынке электронных компонентов взлетела до небес.

Линейный интегральный стабилизатор

Взгляните на рисунок ниже. Здесь изображена упрощенная схема линейного стабилизатора напряжения (такого как например LM310 или 142ЕНхх). В данной схеме неинвертирующий операционный усилитель с отрицательной обратной связью по напряжению, с помощью своего выходного тока управляет степенью отпирания регулирующего транзистора VT1, включенного по схеме с общим коллектором — эмиттерный повторитель.

Сам операционный усилитель получает питание от входного источника в форме однополярного положительного напряжения. И хотя отрицательное напряжение здесь для питания не подойдет, напряжение питания ОУ можно без проблем удвоить, не опасаясь перегрузки или пробоя.

Суть в том, что глубокая отрицательная обратная связь нивелирует нестабильность входного напряжения, величина которого в данной схеме может достигать 30 вольт. Так, фиксированные выходные напряжения варьируются от 1,2 до 27 вольт, в зависимости от модели микросхемы.

Микросхема стабилизатора традиционно имеет три вывода: вход, общий и выход. На рисунке приведена типичная схема дифференциального усилителя в составе микросхемы, где для получения опорного напряжения применен стабилитрон.

Схема дифференциального усилителя в составе микросхемы

В низковольтных стабилизаторах опорное напряжение получают на ширине запрещенной зоны, как это и предложил впервые Видлар в своем первом линейном интегральном стабилизаторе LM109. В цепи отрицательной обратной связи установлен делитель на резисторах R1 и R2, посредством действия которого выходное напряжение оказывается как раз пропорциональным опорному в соответствии с формулой Uвых= Uvd(1 + R2/R1).

Встроенные в стабилизатор резистор R3 и транзистор VT2 служат для ограничения выходного тока, так что если напряжение на токоограничительном резисторе превысит 0,6 вольт, то транзистор VT2 мгновенно откроется, чем вызовет ограничение тока базы главного регулировочного транзистора VT1. Получается, что выходной ток в нормальном рабочем режиме стабилизатора ограничен величиной 0,6/R3. А рассеиваемая регулировочным транзистором мощность будет зависеть от входного напряжения, и окажется равна 0,6(Uвх — Uвых)/R3.

Если по какой-то причине на выходе интегрального стабилизатора случится короткое замыкание, то нельзя допустить, чтобы рассеиваемая на кристалле мощность оставалась бы как прежде пропорциональной разности напряжений и обратно пропорциональной сопротивлению резистора R3. Поэтому в схеме присутствуют защитные элементы — стабилитрон VD2 и резистор R5, работа которых ставит уровень защиты по току в зависимость от разности напряжений Uвх-Uвых.

На приведенном графике можно видеть, что максимальный выходной ток зависит от напряжения выхода, таким образом микросхема линейного стабилизатора надежно защищена от перегрузки. Когда разность напряжений Uвх-Uвых превысит напряжение стабилизации стабилитрона VD2, делитель на резисторах R4 и R5 создаст в базе транзистора VT2 достаточный ток для его отпирания, что в свою очередь приведет к усилению ограничения тока базы регулировочного транзистора VT1.

Самые новые модели линейных стабилизаторов, такие как ADP3303, оснащены тепловой защитой от перегрузок, когда при нагреве кристалла до 165°С выходной ток резко снижается. Конденсатор на приведенной выше схеме необходим для частотной коррекции.

Кстати, о конденсаторах. Ко входу и выходу интегральных стабилизаторов принято подключать конденсаторы минимальной емкости 100нф, чтобы избежать ложного срабатывания внутренних цепей микросхемы. Между тем, существуют так называемые бесконденсаторные стабилизаторы (cap-free), наподобие REG103, для которых нет необходимости в установке стабилизирующих конденсаторов на входе и выходе.

Помимо линейных стабилизаторов с фиксированным напряжением выхода, встречаются и стабилизаторы с регулируемым выходным напряжением стабилизации. В них делитель на резисторах R1 и R2 отсутствует, а база транзистора VT4 выведена на отдельную ножку микросхемы для присоединения внешнего делителя, как например у микросхемы 142ЕН4.

Более совершенные стабилизаторы, у которых ток потребления схемы управления снижен до нескольких десятков микроампер, такие как LM317, имеют всего три вывода. Справедливости ради отметим, что встречаются сегодня и высокоточные регуляторы напряжения вроде TPS70151, которые благодаря наличию нескольких дополнительных выводов позволяют реализовать защиту от падения напряжения на соединительных проводах, управление отключением нагрузки и т. д.

Выше мы поговорили о стабилизаторах положительного, относительно общего провода, напряжения. Подобные схемы используются и для стабилизации отрицательных напряжений, достаточно лишь изолировать гальванически вывод входного напряжения от общей точки. Вывод выхода соединяется тогда с общей точкой выхода, а точка отрицательного выхода будет точкой минуса входа, соединенной с общей точкой микросхемы стабилизатора. Весьма удобны стабилизаторы напряжения отрицательной полярности наподобие 1168ЕНхх.

Если необходимо получить сразу два напряжения (положительной и отрицательной полярности), то и для этой цели существуют специальные стабилизаторы, дающие симметричные стабилизированные положительное и отрицательное напряжения одновременно, достаточно лишь подать на входы положительное и отрицательное входные напряжения. Примером такого двухполярного стабилизатора может служить КР142ЕН6.

На рисунке выше приведена его упрощенная схема. Здесь дифференциальный усилитель №2 управляет транзистором VT2 так, чтобы соблюдалось равенство -UвыхR1/(R1 + R3)=-Uоп. А усилитель №1 управляет транзистором VT1 так, чтобы потенциал в точке соединения резисторов R2 и R4 оставался нулевым. Если при этом резисторы R2 и R4 равны, то и выходные напряжения (положительное и отрицательное) останутся симметричными.

Для независимой регулировки баланса между двумя (положительным и отрицательным) выходными напряжениями, можно подключить к специальным выводам микросхемы дополнительные подстроечные резисторы.

Наименьшее падение напряжения, характерное для приведенных выше схем линейных стабилизаторов, составляет 3 вольта. Это достаточно много для устройств, питаемых от аккумуляторов или батареек, и желательно вообще падение напряжения минимизировать. Для данной цели выходной транзистор делается pnp-типа, чтобы ток коллектора дифференциального каскада был бы одновременно базовым током регулирующего транзистора VT1. Минимальное падение напряжения теперь составит порядка 1 вольта.

Аналогичным образом работают стабилизаторы отрицательного напряжения с минимальным падением. К примеру, стабилизаторы серии 1170ЕНхх имеют на себе падение напряжения около 0,6 вольт, и не перегреваются будучи выполнены в корпусе ТО-92 при токах нагрузки до 100 мА. Сам стабилизатор расходует при этом не более 1,2 мА.

Подобные стабилизаторы относятся к категории low-drop. Еще меньшее падение напряжения достигнуто на стабилизаторах на базе МОП-транзисторов (порядка 55 мВ при токе потребления микросхемы 1 мА) вроде микросхемы MAX8865.

Некоторые модели стабилизаторов с целью снижения энергопотребления устройств в режиме ожидания оснащены выводами Shutdown – при подаче на этот вывод логического уровня — потребление стабилизатора снижается практически до нуля (линейка LT176x).

Говоря об интегральных линейных стабилизаторах, отмечают их эксплуатационные характеристики, а также динамические и точностные параметры.

Параметры точности — это коэффициент стабилизации, точность установления выходного напряжения, выходное сопротивление и температурный коэффициент напряжения. Каждый из этих параметров указан в документации, с ними связана точность выходного напряжения в зависимости от входного напряжения и от текущей температуры кристалла.

Динамические параметры, такие как коэффициент подавления пульсаций и полное выходное сопротивление задаются для различных частот изменения тока нагрузки и входного напряжения.

Читайте также:  Ветрогенераторы напряжением 220 вольт

Эксплуатационные характеристики, такие как диапазон входных напряжений, номинальное выходное напряжение, максимальный ток нагрузки, максимальная мощность рассеяния, максимальная разность напряжений входа и выхода при максимальном токе нагрузки, ток холостого хода, диапазон рабочих температур, — все эти параметры влияют на выбор того или иного стабилизатора для той или иной схемы.

Вот типовые и наиболее популярные схемы включения линейных стабилизаторов:

Если необходимо повысить выходное напряжение линейного стабилизатора с фиксированным выходным напряжением, к общему выводу добавляют последовательно стабилитрон:

Для повышения максимально допустимого выходного тока, параллельно стабилизатору включают более мощный транзистор, превращая регулировочный транзистор внутри микросхемы в часть составного транзистора:

При необходимости стабилизировать ток, стабилизатор напряжения включают по следующей схеме.

В этом случае падение напряжения на резисторе окажется равным напряжению стабилизации, что приведет к значительным потерям если напряжение стабилизации велико. В связи с этим более целесообразным станет выбор в пользу стабилизатора на возможно меньшее выходное напряжение, как КР142ЕН12 на 1,2 вольта.

Источник

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Содержание

  1. Что из себя представляет микросхема LM317
  2. Основные характеристики линейного стабилизатора напряжения LM317
  3. Назначение выводов и принцип работы
  4. Какие существуют аналоги
  5. Примеры схем включения стабилизатора LM317

При разработке электрических схем часто возникает необходимость применения стабилизаторов напряжения малой или средней мощности ( до 1,5 А) или источников образцового напряжения. Удобно, если такой узел имеется в интегральном исполнении, в виде единой микросхемы. Ряд из 9 номиналов постоянных напряжений с номиналами от 5 до 24 В закрывают стабилизаторы серии 78ХХ. Ниша работы LM317 – напряжения выше ( до 37 В) и ниже ( до 1,2 В) данного диапазона, промежуточные значения напряжения, регулируемые стабилизаторы.

Что из себя представляет микросхема LM317

Микросхема представляет собой линейный стабилизатор напряжения, выходное значение которого можно устанавливать в определенных пределах или оперативно регулировать. Выпускается в нескольких вариантах корпуса с тремя выводами. Диапазон выходного напряжения у всех вариантов одинаковый, а максимальный ток может различаться.

Обозначение Максимальный ток, А Корпус
LM317T 1,5 TO-220
LM317LZ 0,1 ТО-92
LM317P 1,5 ISOWAT-220
LM317D2T 1,5 D2PAK
LM317K 0,1 ТО-3
LM317LD 1,5 SO-8

Основные характеристики линейного стабилизатора напряжения LM317

В даташитах на стабилизатор LM317 содержится полная техническая информация, с которой можно ознакомиться, изучив спецификацию. Ниже приведены параметры, несоблюдение которых наиболее критично и при неверном применении микросхема может выйти из строя. В первую очередь, это максимальный рабочий ток. Он приведен в предыдущем разделе для разных видов исполнения. Надо добавить, что для получения наибольшего тока в 1,5 А микросхему обязательно надо устанавливать на теплоотводе.

Максимальное напряжение на выходе регулятора, построенного на основе LM317, может быть не более 40 В. Если этого мало, надо выбрать высоковольтный аналог стабилизатора.

Минимальное напряжение на выходе составляет 1,25 В. При таком построении схемы можно получить и меньше, но сработает защита от перегрузки. Это не самый удачный вариант – такая защита должна работать от превышения выходного тока, как это работает в других интегральных стабилизаторах. Поэтому на практике получить регулятор, работающий от нуля при подаче отрицательного смещения на вывод Adjust, нельзя.

Минимальное значение входного напряжения в даташите не указано, но может быть определено из следующих соображений:

  • минимальное выходное напряжение – 1,25 В;
  • минимальное падение напряжения для Uвых=37 В равно трем вольтам, логично предположить, что для минимального выходного оно должно быть не меньше;

Исходя из этих двух посылок, на вход надо подавать не меньше 3,5 В для получения минимального выходного значения. Также для стабильной работы ток через делитель должен быть не менее 5 мА – чтобы паразитный ток вывода ADJ не вносил значительного сдвига напряжения (на практике он может достигать до 0,5 мА).

Это относится к информации из классических даташитов известных производителей (Texas Instruments и т.п.). В даташитах нового образца от фирм Юго-Восточной Азии (Tiger Electronics и т.д.) этот параметр указывается, но в неявном виде, как разница между входным и выходным напряжением. Она должна составлять минимум 3 вольта для всех напряжений, что не противоречит предыдущим рассуждениям.

Максимальное же входное напряжение не должно превышать проектируемое выходное более, чем на 40 В. Это надо также учитывать при разработке схем.

Важно! На заявленные параметры можно ориентироваться, если микросхема выпущена каким-либо известным производителем. Продукция неизвестных фирм обычно имеет более низкие характеристики

Назначение выводов и принцип работы

Упоминалось, что LM317 относится к классу линейных стабилизаторов. Это означает, что стабилизация выходного напряжения осуществляется за счёт перераспределения энергии между нагрузкой и регулирующим элементом.

Транзистор и нагрузка составляют делитель входного напряжения. Если заданное на нагрузке напряжение уменьшается (по причине изменения тока и т.п.), транзистор приоткрывается. Если увеличивается – закрывается, коэффициент деления изменяется и напряжение на нагрузке остается стабильным. Недостатки такой схемы известны:

  • необходимо, чтобы входное напряжение превышало выходное;
  • на регулирующем транзисторе рассеивается большая мощность;
  • КПД даже теоретически не может превышать отношение Uвых/Uвх.

Зато имеются серьезные плюсы (относительно импульсных схем):

  • относительно простая и недорогая микросхема;
  • требует минимальной внешней обвязки;
  • и главное достоинство – выходное напряжение свободно от высокочастотных паразитных составляющих (помехи по питанию минимальны).

Стандартная схема включения микросхемы:

  • на вывод Input подается входное напряжение;
  • на вывод Output – выходное;
  • на Ajust – опорное напряжение, от которого зависит выходное.

Резисторы R1 и R2 задают выходное напряжение. Оно рассчитывается по формуле:

Uвых=1,25⋅ (1+R2/R1) +Iadj⋅R2.

Iadj является паразитным током вывода настройки, по данным изготовителя он может быть в пределах 5 мкА. Практика показывает, что он может достигать значений на порядок-два выше.

Конденсатор С1 может иметь ёмкость от сотен до нескольких тысяч микрофарад. В большинстве случаев им служит выходной конденсатор выпрямителя. Он должен быть подключен к микросхеме проводниками длиной не более 7 см. Если это условие для конденсатора выпрямителя выполнить нельзя, то следует подключить дополнительную ёмкость примерно в 100 мкФ в непосредственной близости от входного вывода. Конденсатор С3 не должен иметь ёмкость более 100-200 мкФ по двум причинам:

  • чтобы избежать перехода стабилизатора в режим автоколебаний;
  • чтобы устранить бросок тока на заряд при подаче питания.

Во втором случае может сработать защита от перегрузки.

Не стоит забывать, что при протекании тока через резисторы, они нагреваются (это также возможно при повышении температуры окружающей среды). Сопротивление R1 и R2 изменяются, и нет гарантии, что они изменятся пропорционально. Поэтому напряжение на выходе с прогревом или охлаждением может изменяться. Если это критично, можно использовать резисторы с нормированным температурным коэффициентом сопротивления. Их можно отличить по наличию шести полосок на корпусе. Но стоят такие элементы дороже и купить их сложнее. Другой вариант – вместо R2 использовать стабилитрон на подходящее напряжение.

Какие существуют аналоги

Существуют подобные микросхемы, разработанные в других фирмах других стран. Полными аналогами являются:

  • GL317;
  • SG317;
  • UPC317;
  • ECG1900.

Также выпускаются стабилизаторы с повышенными электрическими характеристиками. Больший ток могут выдать:

  • LM338 – 5 А;
  • LM138 – 5 А
  • LM350 – 3 А.

Если требуется регулируемый источник напряжения с верхним пределом в 60 В, надо применять стабилизаторы LM317HV, LM117HV. Индекс HV означает High Voltage – высокое напряжение.

Из отечественных микросхем полным аналогом является КР142ЕН12, но она выпускается только в корпусе ТО-220. Это надо учитывать при разработке печатных плат.

Примеры схем включения стабилизатора LM317

Типовые схемы включения микросхемы приведены в даташите. Стандартное применение — стабилизатор с фиксированным напряжением — рассмотрен выше.

Если вместо R2 установить переменный резистор, то выходное напряжение регулятора можно оперативно регулировать. Надо учитывать, что потенциометр будет слабым местом в схеме. Даже у переменных резисторов хорошего качества место контакта движка с проводящим слоем будет иметь некоторую нестабильность соединения. На практике это выльется в дополнительную нестабильность выходного напряжения.

Читайте также:  Для чего нужна обратная связь по напряжению

Для защиты производитель рекомендует включить два диода D1 и D2. Первый диод должен защищать от ситуации, когда напряжение на выходе будет выше входного. На практике это ситуация крайне редкая, и может возникнуть только если со стоны выхода есть другие источники напряжения. Производитель отмечает, что этот диод также защищает от случая короткого замыкания на входе – конденсатор С1 в этом случае создаст разрядный ток противоположной полярности, что приведет микросхему к выходу из строя. Но внутри микросхемы параллельно этому диоду стоит цепочка из стабилитронов и резисторов, которая сработает точно также. Поэтому необходимость установки этого диода сомнительна. А D2 в такой ситуации защитит вход стабилизатора от тока конденсатора С2.

Если параллельно R2 поставить транзистор, то работой стабилизатора можно управлять. При подаче напряжения на базу транзистора, он открывается и шунтирует R2. Напряжение на выходе уменьшается до 1,25 В. Здесь надо следить, чтобы разница между входным и выходным напряжением не превысила 40 В.

Вредное воздействие контакта потенциометра на стабильность выходного напряжения можно уменьшить подключением параллельно переменному сопротивлению конденсатора. В этом случае защитный диод D1 не помешает.

Если выходного тока стабилизатора не хватает, его можно умощнить внешним транзистором.

Из стабилизатора напряжения можно получить стабилизатор тока, включив LM317 по такой схеме. Выходной тока рассчитывается по формуле I=1,25⋅R1. Подобное включение часто используется в качестве драйвера для светодиодов – LED включается в качестве нагрузки.

Наконец, необычное включение линейного стабилизатора – на его основе создана схема импульсного блока питания. Положительную обратную связь для возникновения колебаний задает цепь C3R6.

Микросхема LM317 имеет значительное количество слабых сторон. Но искусство создания схем и состоит в том, чтобы, используя плюсы стабилизатора, обходить недостатки. Все минусы микросхемы выявлены, даны советы по их нейтрализации. Поэтому LM317 пользуется популярностью у создателей профессиональной и любительской радиоаппаратуры.

Источник



Пять особенностей линейных стабилизаторов, о которых нужно знать

С первого взгляда линейные регуляторы (LDO) кажутся достаточно простыми компонентами, однако очень часто возникают ситуации, когда они работают нештатно. В данной статье рассматриваются пять особенностей стабилизаторов: поведение LDO при запуске, потребление LDO при малых входных напряжениях, особенности отклика LDO при изменении нагрузки, влияние собственного шума и PSRR стабилизатора на общий выходной шум, а также реализация входной защиты LDO. Понимание этих особенностей делает выбор стабилизатора более осознанным и упрощает процесс отладки. Приводятся примеры интегральных стабилизаторов производства Maxim Integrated, в которых учтены перечисленные особенности.

В настоящий момент выбор подходящего линейного стабилизатора зачастую заключается в просмотре бесконечных таблиц с применением параметрических фильтров. Какое выходное напряжение нужно? Каков максимальный нагрузочный ток? Каково предельно допустимое входное напряжение? Какой диапазон входных напряжений требуется? Какое следует выбрать корпусное исполнение? Какие габариты будут у компонентов обвязки? Перечень подходящих регуляторов может быть уменьшен с учетом дополнительных параметров. Например, что если нагрузка чувствительна к колебаниям напряжения питания? Тогда стабилизатор должен обладать очень малым собственным шумом и высоким коэффициентом подавления нестабильности питания (PSRR). Если же разрабатывается устройство с батарейным питанием, то потребуется регулятор со сверхмалым уровнем потребления.

С учетом перечисленных требований исходный список стабилизаторов сократится до нескольких подходящих моделей. Но это еще не все. Перед тем как сделать окончательный выбор, нужно ответить еще на пять вопросов:

  • Как регулятор ведет себя при запуске?
  • Останется ли ток потребления малым, если входное напряжение окажется на нижней границе рабочих напряжений (или даже меньше)?
  • Как ведет себя стабилизатор при изменении нагрузки?
  • Что является основным источником выходного шума: собственный шум стабилизатора или внешний шум из-за малого значения PSSR?
  • Как стабилизатор ведет себя при выключении?

Эти вопросы могут показаться не такими важными, пока не возникнут проблемы. Но когда проблемы появятся вы, скорее всего, почувствуете себя обманутым или, по крайней мере, недостаточно осведомленным. Придется потратить дополнительное время на устранение неполадок и, возможно, на доработку своей платы.

Попробуем пролить свет на эти вопросы. Возможно, предложенная информация будет полезна в ближайшем будущем при очередном выборе линейного регулятора.

Запуск

Многие стабилизаторы имеют вход разрешения, с помощью которого можно включать и выключать регулятор при необходимости экономии энергии. Обычно в таких стабилизаторах есть также функция плавного запуска (Soft Start). Плавный запуск предотвращает перегрузку регулятора при включении. Данная функция может быть реализована двумя способами.

Плавный запуск с ограничением тока

Первый способ – плавный запуск с ограничением тока (Current Soft Start). В большинстве регуляторов существует ограничение выходного тока. Функция плавного запуска заключается в плавном или пошаговом увеличении тока ограничения при запуске (рисунок 1). При этом выходное напряжение будет плавно нарастать, так как ток заряда выходного конденсатора оказывается меньше, чем максимально допустимый нагрузочный ток стабилизатора. Преимущество данного подхода заключается в том, что входной ток регулятора будет плавно увеличиваться согласно заданному шаблону, и помехи от пускового тока нагрузки не будут передаваться на вход стабилизатора.

Рис. 1. Временные диаграммы режимов плавного запуска с ограничением тока и напряжения

Рис. 1. Временные диаграммы режимов плавного запуска с ограничением тока и напряжения

Анализируя переходные процессы при включении стабилизатора, можно обнаружить, что на осциллограмме выходного напряжения есть точки перелома, в которых напряжение начинает уменьшаться. Рассмотрим эту особенность подробнее. После включения линейного регулятора происходит заряд выходного конденсатора и питание нагрузки. Если выходной ток превышает значение тока ограничения, напряжение на нагрузке падает ниже определенного уровня и происходит его возврат в состояние сброса. Далее цикл повторяется, и нагрузка то включается, то выключается. В конце концов, значение тока ограничения становится достаточно высоким, чтобы обеспечить необходимый ток, и схема начинает работать в штатном режиме.

Плавный запуск с ограничением напряжения

Второй способ – плавный запуск с ограничением напряжения (Voltage Soft Start). При таком подходе выходное напряжение увеличивается плавно и линейно, без каких-либо скачков при включении (рисунок 1). Подобное поведение также защищает нагрузку от повторных сбросов, так как напряжение пересекает пороговую точку сброса один раз.

В данном случае пусковой ток определяется выходной емкостью, скоростью нарастания выходного напряжения и током, потребляемым нагрузкой. Как правило, скорость нарастания выходного напряжения устанавливается на уровне, который обеспечивает пусковой ток в диапазоне 1…10% от максимального выходного тока (при использовании рекомендованного минимального выходного конденсатора). Установка пускового тока на уровне менее 10% позволяет использовать выходные конденсаторы большей емкости и компенсировать повышенный ток нагрузки. Недостатком системы запуска с ограничением напряжения является то, что входной ток зависит от нагрузки и не контролируется напрямую. А ее преимущество заключается в отсутствии множественных переходов нагрузки в состояние сброса.

На рисунке 1 представлено сравнение временных диаграмм режимов плавного запуска с ограничением тока и с ограничением напряжения.

Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями

Если схема питается от аккумулятора, то величина собственного потребления стабилизатора имеет большое значение. Нагрузка может находиться в активном состоянии в течение краткого интервала времени, а потом надолго переходить в режим ожидания, экономя энергию. В этом случае время автономной работы будет в значительной степени определяться собственным потреблением регулятора. Если это так, вы, скорее всего, выберете линейный регулятор с минимальным питающим током.

Теперь представьте, что ваша аккумуляторная батарея разряжена до такой степени, что разница между входным и выходным напряжением стабилизатора становится минимальной. При работе в таком режиме стабилизатор старается как можно сильнее открыть внутренний силовой транзистор, чтобы обеспечить минимальное падение напряжения, даже если выходной ток нагрузки очень мал. Проблема заключается в том, что «усиленное» открывание транзистора приведет к увеличению потребления схемы управления затвором (рисунок 2). В результате режим ожидания превращается в режим быстрой разрядки батареи.

Рис. 2. Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями из-за роста потребления схемы управления затвором силового транзистора

Рис. 2. Увеличение тока потребления при работе с малыми входными напряжениями из-за роста потребления схемы управления затвором силового транзистора

Читайте также:  Как правильно измерять напряжение тестером

Подобное увеличение тока при работе с малыми входными напряжениями – не редкость даже для самых лучших стабилизаторов. Двукратный рост потребления не является чем-то необычным, а некоторые регуляторы характеризуются увеличением потребления в 10 раз и более. Иногда информация об увеличении потребляемого тока при работе с малыми входными напряжениями приводится в документации в виде таблиц и графиков. Однако чаще всего эта информация отсутствует.

Если в конкретном приложении величина тока потребления имеет большое значение, следует выбирать стабилизатор, для которого в документации приведена подробная информация об этом параметре или самостоятельно измерять уровень тока, чтобы убедиться, что регулятор отвечает предъявляемым требованиям.

Отклик стабилизатора на изменение нагрузки

Линейные регуляторы имеют возможность стабилизации выходного напряжения при изменении нагрузки. Когда происходит изменение нагрузки, напряжение на затворе встроенного силового транзистора также должно измениться. Время, необходимое для того чтобы напряжение на затворе достигло нового значения, обычно определяет уровень перерегулирования и недорегулирования.

Обычно быстрый переход к полной нагрузке является худшим случаем с недорегулированием выходного напряжения. Перед сравнением динамических характеристик регуляторов всегда следует проверять значения начальных токов. Переход от нагрузки 10% к нагрузке 100% будет более быстрым, чем переход от начальной нагрузки 1% к нагрузке 100%, так как в первом случае выходное напряжение будет ближе к конечному значению. Гораздо труднее добиться хороших показателей при переходе от состояния с нулевой нагрузкой к полной нагрузке.

Можно предположить, что поддержание некоторого минимального тока нагрузки поможет избежать значительной задержки при включении максимальной нагрузки. Да, поможет, но это не всегда является хорошим решением. Дело в том, что при обратном переходе от полной нагрузки к минимальной часто возникает перерегулирование выходного напряжения. При этом регулятор находится в наиболее уязвимом состоянии, в котором его внутренний силовой транзистор полностью отключен. Если в этот момент нагрузка вновь увеличится, то будет наблюдаться недорегулирование, которое окажется еще более значительным, чем при первоначальном переходе.

Если работа схемы предполагает наличие быстрых перепадов нагрузки, следует проверять динамические характеристики стабилизаторов с использованием описанного выше алгоритма. На рисунке 3 показано ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки.

Рис. 3. Ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки

Рис. 3. Ухудшение отклика регулятора при повторном быстром увеличении нагрузки

Собственный шум стабилизатора и коэффициент подавления помех по питанию (PSRR)

Регуляторы, предназначенные для создания малошумящих приложений, как правило, обладают и высоким значением коэффициента подавления нестабильности питания (PSRR). Это логично, так как чувствительность нагрузки к помехам не зависит от причины их возникновения.

Если стабилизатор подключен к импульсному регулятору, то малый коэффициент PSRR может создать больше проблем, чем собственный выходной шум стабилизатора. Рассмотрим случай совместного использования стабилизатора с понижающим импульсным регулятором для питания чувствительной к шуму нагрузки. Если на частоте 100 кГц пульсации выходного напряжения импульсного преобразователя составляют 50 мВ (от пика до пика), а величина PSRR линейного регулятора на той же частоте 100 кГц равна 60 дБ, то на выходе стабилизатора будут наблюдаться пульсации 50 мкВ (от пика до пика), что эквивалентно среднеквадратичному выходному шуму 15 мкВ. Допустим, выбран малошумящий стабилизатор, для которого в полосе частот 10 Гц…100 кГц собственный выходной шум составляет менее 5 мкВ (среднеквадратичное значение). Тогда окажется, что шум из-за входных пульсаций от DC/DC-преобразователя и малого PSRR будет в три раза выше собственного шума стабилизатора (рисунок 4).

Рис. 4. Общий выходной шум определяется вкладом PSRR

Рис. 4. Общий выходной шум определяется вкладом PSRR

При работе с высокими выходными напряжениями собственный шум линейного регулятора может преобладать над PSRR. Это связано с тем, что собственный шум увеличивается в соответствии с делителем обратной связи. Рассмотрим схему, в которой линейный регулятор используется для преобразования зашумленного напряжения 17 В от повышающего DC/DC-преобразователя в напряжение 16 В с уровнем пульсацией менее 100 мВ. Если PSRR стабилизатора на частоте переключений составляет 60 дБ, то пульсации 50 мВ (от пика до пика) от повышающего преобразователя будут ослаблены до 50 мкВ (от пика до пика) или 15 мкВ (ср.кв.) на выходе. Шум 5 мкВ (ср.кв.) встроенного опорного источника может показаться малым и не представляющим опасности. Однако если сигнал обратной связи уменьшается до 1,25 В, а напряжение на резисторе обратной связи 16 В, то выходной шум составит 5 мкВ × (16 В/1,25 В) или 64 мкВ (ср.кв). Таким образом, собственный шум стабилизатора будет вносить основной вклад в общий выходной шум (рисунок 5).

Рис. 5. Увеличение выходного шума при работе с высокими напряжениями

Рис. 5. Увеличение выходного шума при работе с высокими напряжениями

При поиске оптимального стабилизатора для чувствительной нагрузки следует учитывать как выходной шум, так и PSRR.

Защита входа

Обычно в линейных регуляторах присутствует обратный диод, встроенный в силовой МОП-транзистор. Из-за этого диода выходное напряжение не может превышать входное напряжение больше, чем на 0,7 В. В большинстве случаев этот диод не влияет на работу стабилизатора, но есть два случая, когда он может создать проблемы.

Защита от обратного напряжения

Иногда возникают ситуации, когда на вход устройства подается напряжение питания обратной полярности, например, при использовании стандартных батареек. Хотя разъем для установки батареек в отсеке питания имеет особую формовку выводов и защищает от неправильного подключения, тем не менее, он не гарантирует полную защиту и допускает возможность ошибки с возникновением кратковременных обратных напряжений.

Защита от обратной полярности позволяет напряжению на входе быть меньше напряжения на выводе земли без существенного увеличения тока. Для этого необходимо отключить встроенный диод силового транзистора с помощью дополнительного последовательного ключа. У большинства регуляторов на входе есть диоды, защищающие от обратной полярности и электростатических разрядов (ESD). Их также необходимо исключить и использовать специализированную схему защиты (рисунок 6).

Рис. 6. Защита от обратного напряжения

Рис. 6. Защита от обратного напряжения

Примером стабилизатора с защитой от обратной полярности является MAX1725, который способен выдерживать обратные напряжения до -12 В без значительного увеличения входного тока.

Защита от обратного тока

Очень часто защиту от обратного тока в линейных регуляторах путают с защитой от обратного напряжения. Хотя для ее реализации также требуется блокировка встроенного диода силового транзистора, тем не менее, механизм защиты имеет значительные отличия. На рисунке 7 показано как работает схема защиты от обратного тока.

Рис. 7. Защита от обратного тока

Рис. 7. Защита от обратного тока

Рассмотрим случай, когда значительная емкостная нагрузка, например, аудиосистема со множеством развязывающих конденсаторов, питается от линейного регулятора. Предположим также, что линейный регулятор, в свою очередь, питается от мощного понижающего преобразователя. Кроме того, при выключении выход импульсного преобразователя замыкается на землю. Вполне ожидаемо, что при первом же выключении линейный регулятор выйдет из строя, так как конденсаторы нагрузки начнут одновременно разряжаться, и ток будет протекать через встроенный диод силового транзистора стабилизатора.

В линейных регуляторах с защитой от обратного тока эта проблема решена. В них внутренний диод отключается, если уровень входного напряжения падает ниже выходного. Если до этого стабилизатор находился в рабочем состоянии, то силовой транзистор отключится не сразу, и некоторое время ток будет течь в обратном направлении. Стоит отметить, что данная функция защищает от протекания тока от выхода ко входу, и не ограничивает входной ток при приложении входного напряжения обратной полярности.

Примером стабилизатора с защитой от обратного тока является MAX8902, который блокирует обратный разрядный ток выходных конденсаторов нагрузки, если вход закорочен на землю.

Заключение

Рассмотренные в статье особенности линейных регуляторов могут оказаться чрезвычайно важными для многих приложений. К сожалению, они редко учитываются в параметрическом поиске. Кроме того, по предоставляемой документации не всегда удается определить, какой набор функций имеет тот или иной стабилизатор. Тем не менее, знание возможных потенциальных проблем делает выбор оптимального регулятора более осознанным.

Источник