Различные типы стабилизаторов/выпрямителей напряжения и принцип работы

Стабилизаторы напряжения представляют собой интегральные схемы, предназначенные для стабилизирования напряжения на их входе до постоянного фиксированного напряжения на их выходе, независимо от изменений тока нагрузки или входного напряжения.

Электронные конструкции/устройства выпрямитель напряжения обычно состоит из различных электронных компонентов, которые иногда работают при разных уровнях напряжения. Таким образом, для надежного удовлетворения требований к мощности конкретной конструкции или различных компонентов конструкции в блоке питания обычно используются стабилизаторы напряжения для стабилизирования напряжения в основном источнике до необходимого в различных частях устройства.

При проектировании блока питания для любого устройства всегда приходится принимать массу решений. Одним из таких решений, хотя и трудным, является выбор стабилизаторов напряжения, так как они бывают разных «форм и размеров» с разными «наворотами», что делает их отличным выбором при использовании в одной цепи, но катастрофой в другой.

В результате выбор правильного Стабилизатора для вашего проекта (и его ограничений) требует тщательного понимания вариантов, и сегодняшняя статья будет посвящена именно этому. Мы оценим различные типы регуляторов напряжения, принципы их работы и когда имеет смысл использовать один из них вместо другого.

Типы регуляторов напряжения

Стабилизаторы напряжения можно классифицировать на основе различных факторов, таких как их применение, напряжения, при которых они работают, механизмы преобразования мощности и многое другое.

В этой статье мы сосредоточимся на активных Стабилизаторах напряжения и разделим их на две большие категории в зависимости от используемого ими механизма стабилизирования. Две категории включают в себя:

• 1. Линейные стабилизаторы напряжения

• 2. Импульсные стабилизаторы напряжения

1. Линейные стабилизаторы напряжения

Линейные стабилизаторы напряжения используют принципы делителей напряжения для преобразования напряжения на их входе в желаемое напряжение на их выходе. В них используется петля обратной связи, которая автоматически изменяет сопротивление в системе, чтобы противодействовать влиянию изменений импеданса нагрузки и входного напряжения, и все это для обеспечения постоянного выходного напряжения.

Типичные реализации линейных регуляторов напряжения включают использование полевых транзисторов в качестве одной стороны делителя напряжения с петлей обратной связи, подключенной к затвору транзистора, управляя им по мере необходимости для обеспечения согласованности выходного напряжения.

Хотя такое использование транзисторов в качестве резисторов помогает упростить конструкцию и реализацию линейных регуляторов, оно в значительной степени способствует неэффективности, связанной с Стабилизаторами. Причина этого в том, что транзисторы преобразуют избыточную электрическую энергию (разность напряжений между входным и выходным напряжением) в тепло, что приводит к потерям мощности в результате нагрева транзисторов.

В ситуациях, когда напряжение на входе или ток нагрузки на выходе слишком высоки, Стабилизаторы могут генерировать уровни тепла, которые могут привести к его выходу из строя. Чтобы смягчить это, разработчики обычно используют радиаторы, размер которых определяется величиной тока (мощности), проходящей через регулятор.

Еще один момент, о котором стоит упомянуть для линейных регуляторов, – это необходимость того, чтобы напряжение на входе было больше, чем напряжение на выходе, на минимальное значение, называемое падением напряжения. Это значение напряжения (обычно около 2 В) варьируется в зависимости от Стабилизатора и иногда является серьезным источником беспокойства для разработчиков, работающих с маломощными приложениями, из-за потери мощности. В качестве обходного пути используйте тип линейных стабилизаторов напряжения, называемый Стабилизаторами LDO (с малым падением напряжения), поскольку они разработаны с возможностью работы при разнице между входным и выходным напряжением всего 100 мВ.

Плюсы

Некоторые преимущества линейных регуляторов напряжения включают в себя:

• 1. Простота и удобство проектирования и реализации

• 2. Создает меньше электромагнитных помех и шума

• 3. Быстрое время отклика на изменения тока нагрузки или условий входного напряжения.

• 4. Низкие пульсации напряжения на выходе

Минусы

К недостаткам линейных регуляторов напряжения относятся:

• 1. Низкий КПД, так как большое количество электроэнергии теряется в виде тепла.

• 2. Требуемое падение напряжения делает их плохим выбором для маломощных приложений.

• 3. Занимают больше места на печатных платах из-за потребности в радиаторах .

• 4. Низкий КПД, так как большое количество электроэнергии теряется в виде тепла.

• 5. Требования к падающему напряжению делают их плохим выбором для приложений с низким энергопотреблением.

• 6. Занимают больше места на печатных платах из-за потребности в радиаторах.

2. Импульсные Стабилизаторы напряжения

Импульсные стабилизаторы напряжения имеют более сложную конструкцию и требуют для работы больше сопутствующих компонентов, но являются сверхэффективными Стабилизаторами, используемыми в сценариях, где нельзя мириться с потерями мощности, как в линейных Стабилизаторах.

Механизм стабилизирования напряжения в импульсных Стабилизаторах напряжения включает в себя быстрое переключение элемента, соединенного последовательно с компонентом накопления энергии (конденсатор или катушка индуктивности), для периодического прерывания потока тока и преобразования напряжения от одного значения к другому. То, как это делается, зависит от управляющего сигнала от механизма обратной связи, подобного тому, который используется в линейных Стабилизаторах.

В отличие от линейных регуляторов напряжения, переключающий элемент находится либо в полностью проводящем, либо в выключенном состоянии. Он не рассеивает мощность и позволяет Стабилизатору достигать высокого уровня эффективности по сравнению с линейными Стабилизаторами.

В базовой реализации импульсного Стабилизатора напряжения в качестве переключающего элемента используется «проходной транзистор», работающий либо в состоянии отсечки, либо в состоянии насыщения. Когда проходной транзистор находится в закрытом состоянии, ток через него не течет, поэтому мощность не рассеивается, но когда он находится в состоянии насыщения, на нем возникает пренебрежимо малое падение напряжения, сопровождающееся рассеянием небольшой мощности, с максимальным током, подаваемым на нагрузку. В результате действия переключения и экономии энергии в состоянии отсечки КПД переключаемых регуляторов обычно составляет около 70 %.

Коммутационное и ШИМ-управление дает достаточно большую гибкость, что позволяет импульсным Стабилизаторам напряжения работать в разных режимах и существовать в различных типах, в том числе:

• Понижающие импульсные Стабилизаторы

• Повышающие импульсные Стабилизаторы

• Стабилизаторы переключения Buck/Boost

1. Понижающие импульсные стабилизаторы напряжения

Понижающие импульсные стабилизаторы, также известные как понижающие стабилизаторы, преобразуют высокое напряжение на своих входных клеммах в более низкое напряжение на своих выходных клеммах. Эта операция похожа на работу линейных регуляторов, за исключением того факта, что понижающие Стабилизаторы работают с более высокой степенью эффективности. Изображение, иллюстрирующее расположение компонентов в понижающих Стабилизаторах, представлено ниже.

2. Импульсные импульсные стабилизаторы напряжения

Повышающие импульсные стабилизаторы, также известные как повышающие стабилизаторы, могут преобразовывать низкое напряжение на своем входе в более высокое напряжение на выходе. Их конфигурация является одним из основных различий между линейными стабилизаторами и импульсными стабилизаторами, поскольку регулирование не происходит, если напряжение на входе линейных регуляторов напряжения больше, чем напряжение, требуемое на их выходе. Схема, иллюстрирующая повышающие импульсные стабилизаторы напряжения, представлена ​​ниже.

3. Регулятор напряжения переключения Buck/Boost

Понижающий/повышающий регулятор сочетает в себе характеристики двух вышеперечисленных регуляторов. Он может обеспечить фиксированное выходное напряжение независимо от разницы (+ или -) между входным и выходным напряжением. Они очень полезны в батареях, где напряжение на входе, которое может быть выше, чем выходное напряжение в начале, снижается до уровня ниже выходного напряжения с течением времени. Схема, иллюстрирующая понижающий/повышающий регулятор переключения, представлена ​​ниже:

За и против

Минусы

Какими бы эффективными и совершенными ни казались импульсные стабилизаторы напряжения, у них есть недостатки, некоторые из которых включают:

• 1. Сложный дизайн

• 2. Требуется больше дополнительных компонентов

• 3. Дорого

• 4. Высокие уровни электромагнитных помех и шума, которые могут повлиять на сертификацию продукта, если не будут должным образом контролироваться.

• 5. Высокая пульсация выходного напряжения

• 6. Более медленное переходное время восстановления по сравнению с линейными Стабилизаторами.

Плюсы

В зависимости от вашего оборудования преимущества импульсных стабилизаторов могут перевесить их недостатки. Некоторые из преимуществ включают в себя:

• 1. Маленький размер

• 2. Высокая эффективность

• 3. Они могут обеспечить выходное напряжение, которое больше или меньше входного напряжения.

• 4. Подходит для приложений с низким энергопотреблением

• 5. Маленький размер

• 6. Высокая эффективность

• 7. Они могут обеспечить выходное напряжение, которое больше или меньше входного напряжения.

• 8. Подходит для приложений с низким энергопотреблением

Выбор правильного стабилизатора напряжения для вашего проекта

Выбор правильного стабилизатора напряжения для вашего проекта обычно не является проблемой выбора между линейным или импульсным стабилизатором напряжения. Выбор между ними можно сделать, просто взвесив их плюсы и минусы и решив, какой из них лучше всего подходит вам. Однако необходимо проверить другие специфические свойства стабилизатора (импульсный или линейный), чтобы убедиться, что он идеально подходит для вашего проекта. Пять из этих основных свойств описаны ниже:

1. Выходное напряжение (или диапазон напряжения)

Это, пожалуй, первое, на что следует обратить внимание при выборе стабилизатора. Убедитесь, что выходное напряжение (или диапазон напряжений) Стабилизатора соответствует требуемому значению для вашего приложения. Для некоторых регуляторов могут потребоваться внешние компоненты для поддержания стабильного выходного напряжения на желаемом уровне напряжения. Все это должно быть подтверждено до штамповки стабилизатора для вашего проекта.

2. Выходной ток

Стабилизаторы напряжения разрабатываются с расчетом на определенный номинальный ток. Подключение их к нагрузке с требованиями по току, которые превышают их номинальный ток, может привести к повреждению стабилизатора или неправильной работе нагрузки. Это еще более важно в случае линейных регуляторов напряжения, поскольку ток напрямую влияет на потери мощности.

Всегда проверяйте, может ли выбранный вами регулятор выдержать предполагаемый ток нагрузки.

3. Диапазон входного напряжения

Это относится к допустимому диапазону входных напряжений, поддерживаемых стабилизатором. Обычно оно указывается в техническом описании, и разработчику важно убедиться, что возможное входное напряжение для вашего приложения находится в пределах допустимого диапазона. Одна ошибка, которую допускают большинство начинающих разработчиков, заключается в том, что они сосредотачиваются только на максимальном входном напряжении, забывая, что входное напряжение ниже указанного минимального напряжения может привести к ошибкам стабилизирования, особенно в случае линейных стабилизаторов. Знание этих значений поможет вам оценить условия, при которых регулятор выйдет из строя либо из-за чрезмерного выделения тепла в случае линейных регуляторов, либо из-за неисправностей в случае импульсных регуляторов.

4. Диапазон рабочих температур

Диапазон рабочих температур, определяемый в большинстве спецификаций как температура окружающей среды (Ta) или температура перехода, представляет собой диапазон температур, в котором регулятор работает должным образом. Говоря более конкретно, температура перехода обычно относится к самой высокой рабочей температуре транзистора. Напротив, температура окружающей среды относится к температуре окружающей среды вокруг устройства. Оба значения важны, особенно для линейных регуляторов, поскольку они способствуют процессу выбора идеального радиатора для стабилизатора.

5. Падение напряжения

Это важно при выборе линейных регуляторов напряжения. Как объяснялось ранее, падение напряжения относится к величине, на которую входное напряжение должно быть больше, чем выходное напряжение, чтобы произошла стабилизация. Хотя для большинства приложений это может быть неважным соображением, для приложений, где важны КПД и малое энергопотребление, имеет смысл использовать стабилизаторы напряжения с малым падением напряжения.

Другие факторы, такие как эффективность, размер корпуса, переходная характеристика и потенциальные электромагнитные помехи/шум, также должны учитываться.

В заключение, простой способ решить, какой стабилизатор использовать, – это сначала решить, будет ли линейный или импульсный регулятор напряжения лучшим выбором, исходя из их плюсов и минусов. После этого уровня принятия решений могут быть проведены дальнейшие исследования свойств Стабилизатора, поскольку они могут повлиять на вашу конструкцию. Какой бы ненужной иногда ни казалась эта комплексная проверка, она может иметь решающее значение для успеха вашего проекта.