Regulator napięcia liniowy: czyste napiecie za cenę ciepła

Oprawca regulujący napięcie (LDO)

Regulator liniowy zachowuje stałe napięcie wyjściowe, wstawiając element oporu regulowanego — przewodnik przejścia — w szereg między niekontrolowanym biegunem wejściowym a obciążeniem, i ciągle dostosowując jego opor, aby zabić dokładnie nadmiar napięcia. Funkcyjnie jest to automatycznie dostosowywany oprawca: gdy napięcie wejściowe wzrasta lub obciążenie pociąga za większą prąd, efektywny opor przewodnika przejścia zmienia się tak, aby utrzymać wyjście dokładnie tam, gdzie go wymaga pętla sprzętu zwrotnego.

Niewyevityczalne ciepło

Każde wata nie dostarczone do obciążenia jako energia wyjściowa regulowana rozprzestrzenia się w formie ciepła w przewodniku przejścia, z uproszczonej i niezwolnionej formuły: P_rozprzestrzeniane = (V_wyjście − V_wejście) × I_obciążenie. Spad 5V na 500mA spowoduje rozprzestrzenienie 2,5W bez względu na to, jak efektywne jest obciążenie — nie ma na to wyjścia, ponieważ regulator liniowy nie posiada mechanizmu (brak przepychania, brak przechowywania energii w induktorze) do konwersji nadmiaru napięcia na coś innego niż ciepło. To jedno z największych niedogodności wobec przepychacza (buck), który może osiągnąć taką samą krotność napięcia z efektywnością 85-95% zamiast mniej niż 50%, co jest całkowicie proste.

P_pass = (V_in - V_out) * I_load        // pure heat, no way around it

efficiency = P_out / P_in = V_out / V_in    // independent of I_load!

example: 5V -> 3.3V at 1A
  P_pass = (5 - 3.3) * 1 = 1.7 W wasted
  efficiency = 3.3/5 = 66%   (before quiescent current losses)

Napięcie wyjściowe dropout: jak nisko jest niskoprzejście?

Transistor przełącznik potrzebuje pewnego minimalnego napięcia na swojej przewodnicy, aby kontynuować pracę jako element regulowany zamiast pełnozatkanego przełącznika — ten minimalny margines wejściowy-wyjściowy to napięcie dropout. Starsze topologie regulatorów (zbudowane wokół folwarka bipolarnego NPN emiterowego) zwykle potrzebowały ponad 2V przestrzeni operacyjnej; zamiast tego LDO (niskoprzejście) używa PNP lub PMOS jako przewodnika przełącznika, który jest operowany blisko zatkania, co obniża wymagany margines do jak najmniej 100-300 mV. Poniżej tego marginesu, regulator straci regulację i V_out spada wraz z spadkiem V_in — kluczowy ograniczenie dla projektów opartych na bateriach, gdzie wejściowe napięcie wolno się obniża podczas rozładowywania baterii.

PSRR: odrzucanie szumów na wejściu

Stosunek zrzutu naprężenia zasilającego (PSRR) mierzy, jak dobrze pętle sprzętu odwracania reagują na przeskok lub szum przychodzący na linii wejściowej przed tym, jak dotrze do wyjścia — wyrażany w decybelach, z wysokim PSRR oznaczającym silne zrzucanie szumu na wejściu. To dokładnie dlaczego LDOs nadal są popularne do zasilania czujników analogowych i układów RF, nawet jeśli konwertery przekładajce są znacznie bardziej efektywne: szum przekładany przez sam konwerter przekładajcy wymagałby intensywnego dodatkowego filtrywania, aby osiągnąć taki poziom szumu jak LDO, który zrzucia szum bez żadnego aktywnego przekładu. Jest typowe widzieć konwerter przekładajcy obsługiwał efektywnie główny konwersjonus naprężenia, a następnie mały LDO jako końcową fazę „czyszczenia”, dostarczającą szumosensitiwne bloki.

Czysty próg termiczny dla wyjściowego prądu

Ponieważ rozdzielana moc skali bezpośrednio z ładunkiem prądniczym, maksymalna bezpieczna wartość prądu LDO nie zależy tylko od oceny prądnicy — jest ograniczona tym, ile ciepła może sprecyzować opakowanie i dowolne przyciąganie do termoaktywności, aby utrzymać temperaturę punktu skrzypcowego pod jej maksymalną ocenioną (typowo 125-150°C dla siłecyku). Regulator, który mógłby dostarczyć 3A przy spadku napięcia 200mV, może być bezpiecznie oceniany tylko na kilka setek milijamperów przy spadku napięcia 5V, ponieważ buget termiczny, a nie siłecyk, staje się czynnikiem ograniczającym.

Często zadawane pytania