Az LDO lineáris szabályozók megértése
Annak érdekében, hogy az alacsony kiesésszabályozó (LDO) tiszta kimeneti feszültséget szolgáltasson és optimálisan működjön, különösen nagyobb áramszinteken, a megfelelő paramétereket és paramétereket kell kiválasztani.
A legtöbb alkalmazási területen az adatlap alapvető paramétereinek specifikációja elegendő és könnyen érthető. Sajnos az adatlapok nem tartalmazzák az összes lehetséges kapcsolási feltétel paramétereit. Ezért annak érdekében, hogy a legtöbbet hozzuk ki egy LDO-ból, elengedhetetlen megérteni a legfontosabb teljesítményparamétereket és azok hatását az adott terhelésekre. A fejlesztőknek a környezeti kapcsolási feltételek körültekintő elemzésével meg kell tudniuk állapítani, hogy az LDO alkalmas-e egy adott terhelésre.
Ez a cikk megvizsgálja az LDO-k alapvető teljesítményparamétereit és azok hatását a tiszta kimeneti feszültségnek az elektronikus rendszer különböző alkatrészeire történő továbbítására. Ezenkívül megvitatjuk azokat a tényezőket, amelyeket a fejlesztőnek figyelembe kell vennie a rendszer optimalizálása érdekében, különösen magasabb áramszinteken.
Hogyan alkalmazzák a lineáris szabályozókat (LDO) az alkalmazásokban?
A legtöbb alkalmazásban az LDO-kat elsősorban arra használják, hogy elkülönítsék az érzékeny terhelést a zajos áramforrástól. A kapcsolószabályozókkal ellentétben a lineáris szabályozók teljesítményveszteséggel rendelkeznek a pass tranzisztorban vagy a MOSFET-ben, amelyek a kimeneti feszültség szükséges pontosságú szabályozására és fenntartására szolgálnak. Emiatt az LDO teljesítményvesztése jelentős hátrányt jelenthet a hatékonyság szempontjából, és termikus problémákat okozhat. Ezért fontos, hogy a fejlesztők minimalizálják az LDO energiaeloszlását, ezáltal növelve a rendszer hatékonyságát és elkerülve a termikus szövődményeket.
Az LDO-k a legrégebbi és legszélesebb körben használt feszültségszabályozó készülékek közé tartoznak, de számos kulcsfontosságú teljesítménymutatójuk hiányzik, vagy legalábbis nem használják ki teljes mértékben a lehetőségeiket. Míg a költség fontos tényező, az LDO-k használatát elsősorban a rendszer teljesítménykövetelményei és a kiszolgált terhelés elfogadható szintű interferenciája vezérli. Az LDO-kat a zaj csökkentésére, valamint az elektromágneses interferencia (EMI) és az áramköri kártya útvonala által okozott problémák kijavítására is használják.
Nagyon alacsony áramterhelés esetén az LDO teljesítményvesztése nagyon jelentéktelen; ezért egyszerűsége, költsége és egyszerű kezelhetősége miatt nyilvánvaló választás. Ezzel szemben az 500 mA-t meghaladó nagy áramterhelés esetén más tényezők fontosabbá válnak, és egyes esetekben meghatározóak. Ezekben az alkalmazásokban fontos, hogy a rendszerfejlesztők mérlegeljék azokat a teljesítményparamétereket, amelyek súlya magasabb áramszint mellett növekszik, például a lemorzsolódási feszültség, a terhelés szabályozása és a tranziens teljesítmény.
Mivel az LDO-k egyfajta lineáris szabályozók, gyakran összehasonlítják őket a hagyományos lineáris szabályozókkal, különösen a költségeket tekintve. Itt kell megjegyezni, hogy az áteresztő elem az LDO szíve, és ez és az azt körülvevő áramkörök határozzák meg az LDO teljesítményét.
Az LDO három alapvető funkcionális elemből áll: referenciafeszültségből, folytonossági elemből és hibaerősítőből, az 1. ábra szerint. Normál működés közben a folytonossági elem áramforrásként működik a feszültségszabályozó számára. Az átjáró elemet a hibaerősítőből származó kompenzált vezérlőjel vezérli, amely érzékeli a kimeneti feszültséget és összehasonlítja azt a referenciafeszültséggel.
Mindezek a funkcióblokkok hatással vannak az LDO teljesítményére. Az LDO gyártók adatlapjai mindig tartalmazzák a funkcionális elemek teljesítményét leíró specifikációkat.
Amint az a 2. ábrán látható, az LDO szabályozók tervezésében általában négy különböző típusú áteresztő elem található: NPN tranzisztor alapú szabályozók, PNP tranzisztor alapú szabályozók, N csatornás MOSFET alapú és P csatornás MOSFET alapú vezérlő.
Általánosságban elmondható, hogy a tranzisztor-alapú szabályozókra nagyobb kiesési feszültség jellemző, mint a MOSFET-alapú szabályozókra. Ezenkívül a tranzisztor alapú szabályozó tranzisztor átengedő elemének alap hajtóárama arányos a kimeneti árammal. Ez közvetlenül befolyásolja a tranzisztor alapú szabályozó nyugalmi áramát. Összehasonlításképpen: a MOSFET átjáró eleme a szigetelt kapun lévő feszültséget használja nyugalmi áramának jelentősen csökkentésére, mint a tranzisztor alapú szabályozó.
Az alacsony lemorzsolódás-szabályozó fontos paraméterei
Kiesési feszültség: A kiesési feszültség a bemeneti és a kimeneti feszültség közötti különbségként definiálható abban a pontban, ahol a bemeneti feszültség további csökkenése a kimeneti feszültség szabályozásának meghibásodását okozza. Kiesés esetén a folytonossági elem lineáris tartományban működik, és ellenállásként viselkedik. A modern LDO-ban az áteresztő elemet általában PMOS vagy NMOS FET-ekkel valósítják meg, ezáltal akár 30 mV és 500 mV közötti kiesési feszültség is elérhető. A 3. ábra az ISL80510 LDO modul kiesési feszültségét mutatja, amely PMOS FET-et használ átmenő elemként.
Terhelésszabályozás: A terhelés szabályozását a kimeneti feszültség változásaként definiáljuk egy adott terhelésváltozás esetén. Normál esetben a nullától a teljes terhelésig terjed, amelyet a következő 1. egyenlet határoz meg.
A terhelésszabályozás jelzi az átjáró elem teljesítményét és az erősítést a vezérlő DC vezérlő hurokjában. Minél nagyobb a zárt hurkú DC erősítés, annál jobb a terhelés szabályozása.
Vonalszabályozás: A vonalszabályozás a kimeneti feszültség változása a bemeneti feszültség adott változásához, amelyet az alábbi 2. egyenlet határoz meg:
Mivel a vonalszabályozás az átmenő elem teljesítményétől és a vezérlő hurok DC erősítésétől is függ, a vonalas szabályozás figyelembe vételekor a lemorzsolódási műveletet gyakran nem veszik figyelembe. Következésképpen a vonalszabályozás minimális bemeneti feszültségének magasabbnak kell lennie, mint a lemerülési feszültség.
A tápfeszültség behatolása (PSRR, Power Supply Rejection Ratio): A PSRR egy olyan érték, amely jelzi az LDO képességét a bemeneti feszültség okozta kimeneti feszültség ingadozásainak csillapítására, lásd a 3. ábrát. Míg a vonalszabályozást csak egyenárammal vesszük figyelembe, a PSRR-nek széles frekvenciatartományt kell figyelembe venni (lásd az alábbi 3. egyenletet):
Egy hagyományos zárt hurkú vezérlésnél a kis jelű kimeneti feszültséget az alábbi 4. egyenletben megadott módon lehet kifejezni:
Ahol V * in a kis jelbemeneti feszültség, Gvg a nyitott hurok átviteli funkciója a bemenettől a kimeneti feszültségig, kv a kimeneti feszültség érzékelő erősítése, GC a kompenzátor átviteli funkciója, Goc a nyitott hurok átviteli funkciója a vezérlőjeltől a kimeneti feszültségig és kv GC Goc a zárt T (s) vezérlőhurok átviteli funkciója.
A 3. és 4. egyenlet egyértelműen megmutatja, hogy a PSRR a zárt T (s) vezérlő hurok erősítéséből és a nyitott vezérlő hurok átviteli függvényének reciprokjából áll a bemenetről az 1/Gvg kimeneti feszültségre (lásd a 4. és 5. ábrát). Míg alacsonyabb frekvenciákon a zárt vezérlő hurok átviteli funkciója dominál, magasabb frekvenciákon a nyitott vezérlő hurok átviteli funkciója veszi át.
Egyéb fontos LDO paraméterek
Zaj: Ez a paraméter általában az LDO által generált kimeneti feszültség zajára vonatkozik, amely a sávszélesség feszültségreferenciájának velejárója. A fenti 4. egyenlet a referenciafeszültség és a kimeneti feszültség viszonyát mutatja. Sajnos azonban a zárt hurkú átviteli funkció nem vonatkozik a referenciafeszültség és a kimeneti feszültség közötti interferencia-elnyomásra. Emiatt a legtöbb alacsony zajszintű LDO-nak további szűrőre van szüksége, hogy megakadályozza az interferencia bejutását a vezérlő hurokba.
Átmeneti viselkedés: Az LDO-kat általában olyan alkalmazásokban használják, amelyekben a vezérlés a terhelési ponton (PoL; Terhelési pont) fontos, például a digitális IC-k, DSP-k, FPGA-k és energiatakarékos CPU-k tápellátásában. Az ilyen alkalmazások terhelése többféle üzemmóddal működik, amelyek eltérő tápfeszültségeket igényelnek. Az LDO-nak tehát gyorsan kell reagálnia annak érdekében, hogy a tápfeszültség a kívánt határokon belül maradjon. Ez az LDO átmeneti viselkedését az egyik meghatározó teljesítményparaméterré teszi.
Mint minden zárt vezérlő hurok esetében, az átmeneti válasz is főleg a vezérlő hurok átviteli funkciójának sávszélességétől függ. A legjobb tranziens viselkedés elérése érdekében a vezérlő hurok sávszélességének a lehető legnagyobbnak kell lennie, miközben elegendő fázistartalékot kell biztosítania a stabilitás fenntartásához.
Nyugalmi áram: Az LDO nyugalmi áramát (vagy szivárgási áramát) az átvezető elem visszacsatolásának és meghajtó áramának kombinációja alkotja; általában a lehető legalacsonyabban tartják. Ezen túlmenően, ha PMOS vagy NMOS FET-eket használnak átjáró elemként, akkor a nyugalmi áramot a terhelési áram viszonylag nem befolyásolja. Mivel a nyugalmi áram nem áramlik át a kimeneten, ez befolyásolja az LDO hatékonyságát, amelyet a következő 5. egyenlet alapján lehet kiszámítani:
Az energiaveszteséget az LDO-n belül a Vin * (Iq + Iout) - Vout * Iout határozza meg. Az LDO hatékonyság optimalizálása érdekében mind a nyugalmi áramot, mind a bemeneti és kimeneti feszültség közötti különbséget minimalizálni kell. Ez a különbség közvetlen hatással van a hatékonyságra és az energiaveszteségre, így általában a legalacsonyabb kiesési feszültséget részesítik előnyben.
Bár egy lineáris szabályozó nem képes nagy hatásfokú átalakítást biztosítani a kapcsolt üzemmódú tápegységhez (SMPS) képest, sok modern alkalmazásban szükséges feszültségszabályozóként használják. Az interferenciára érzékeny alkalmazásokban az SMPS-nek nagyon nehéz elérni a szükséges kimeneti maradék hullámot (hullámzást), hogy megfeleljen a keskeny zajspecifikációnak. Ennek eredményeként nem ritka, hogy egy LDO-t aktív szűrőként adunk az SMPS kimenetéhez. Ennek az LDO-nak magas PSRR-rel kell rendelkeznie a kapcsolt üzemmódú tápegység kapcsolási frekvenciáján.
Az LDO szabályozók különösen alkalmasak olyan alkalmazásokhoz, amelyek kimeneti feszültségét csak kissé a bemeneti feszültség alatt kell szabályozni. Míg a buck és boost konverterek alkalmazási korlátokkal rendelkeznek a maximális/minimális munkaciklusra, a szabályozás elvész a kimeneti feszültségükkel, ha a bemeneti feszültség közel van a kimeneti feszültséghez.
* Sitthipong Angkititrakul alkalmazásmérnök,
* Dhananjay Singh az Intersil termékmarketing-menedzsere, Milpitas/Kalifornia.