Unterschiede zwischen linearen Reglern Schaltreglern und Reihenreglern

1. Lineare Spannungsregler vs. Schaltende Spannungsregler

Ein linearer Spannungsregler erfordert eine Eingangsspannung, die höher ist als seine Ausgangsspannung. Er regelt den Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung—bekannt als Dropout-Spannung—indem er den Widerstand seines internen Regulierungselements (zum Beispiel eines Transistors) variiert.

Stellen Sie sich einen linearen Spannungsregler als präzisen „Spannungskontrollexperten“ vor. Bei einer zu hohen Eingangsspannung handelt er entschlossen, indem er den Teil, der über dem gewünschten Ausgabewert liegt, „abschneidet“, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung konstant bleibt. Die überschüssige Spannung, die „abgeschnitten“ wird, wird letztendlich als Wärme abgegeben, wodurch ein stabiler Ausgang erhalten bleibt.

In Bezug auf die Schaltungskonfiguration verwendet ein typischer Reihenspannungsregler einen Fehlerverstärker, eine Referenzspannungsquelle und einen Pass-Transistor, um ein geschlossenes Rückkopplungssystem zu bilden, das die Ausgangsspannung in Echtzeit kontinuierlich überwacht und korrigiert.

Lineare Spannungsregler umfassen hauptsächlich Dreipolregler und LDO (Low Dropout)-Regler. Letztere verwenden eine herkömmliche Architektur, die einen relativ großen Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang erfordert (typischerweise ≥2 V), was zu geringerer Effizienz führt und für Mittel- bis Hochleistungsanwendungen geeignet ist. Im Gegensatz dazu sind LDO-Regler optimiert für minimale Dropout-Spannungen (so niedrig wie 0,1 V), was sie ideal für Szenarien macht, bei denen Eingangs- und Ausgangsspannungen nahe beieinander liegen, wie etwa in batteriebetriebenen Geräten, obwohl eine sorgfältige thermische Gestaltung erforderlich ist.

Abbildung 1 veranschaulicht die Arbeitsprinzipien von linearen und schaltenden Spannungsreglern.

Schaltende Spannungsregler andererseits steuern die Leitung und Abschaltszeiten von Stromschaltern (z.B. MOSFETs), um den Tastgrad der Energieübertragung anzupassen. Die Eingangsspannung wird dann durch Energiespeicherung und Filterung durch Spulen und Kondensatoren in eine stabile durchschnittliche Ausgangsspannung umgewandelt.

Ihr Kernmerkmal ist die „Chopper-ähnliche“ Regelung: Die Eingangsspannung wird mit hoher Frequenz zerteilt, und die an den Ausgang gelieferte Energie wird durch Anpassung des Schaltzyklus gesteuert. Dieser Ansatz erreicht im Vergleich zu linearen Spannungsreglern signifikant höhere Effizienz.

Gängige Topologien von schaltenden Spannungsreglern umfassen Buck (Herunterstufen), Boost (Heraufstufen) und andere, die breite Eingangsspannungsbereiche unterstützen und gut für Hochleistungsanwendungen oder Umgebungen mit starken Schwankungen der Eingangsspannung geeignet sind.

Abbildung 2 bietet einen Vergleich zwischen linearen und schaltenden Spannungsreglern. Basierend auf Ihren spezifischen Bedürfnissen können Sie den passenden Typ auswählen: Wählen Sie einen linearen Spannungsregler, wenn geringes Rauschen und Schaltungseinfachheit Priorität haben; wählen Sie einen schaltenden Spannungsregler, wenn hohe Effizienz und hohe Leistungserbringung gefragt sind.

2. Reihenspannungsregler

Ein Reihenspannungsregler befindet sich zwischen der Stromquelle und der Last und fungiert wie ein präziser „Spannungswächter“. Sein Arbeitsprinzip besteht darin, den Widerstand eines verstellbaren Widerstands dynamisch anhand von Änderungen der Eingangsspannung oder des Ausgangsstroms anzupassen, um die Ausgangsspannung auf einem stabilen, vordefinierten Wert zu halten.

In der modernen Elektronik werden bei Reihenregler-ICs aktive Bauelemente – wie MOSFETs oder Bipolartransistoren (BJTs) – elegant eingesetzt, um traditionelle verstellbare Widerstände zu ersetzen, was die Leistung und Zuverlässigkeit des Reglers erheblich verbessert.

Die Schaltungskonfiguration eines Reihenspannungsreglers ist präzise und gut strukturiert und besteht hauptsächlich aus den folgenden vier Kernkomponenten:

● Ausgangstransistor: Er ist in Reihe zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen des Reglers geschaltet und dient als Brücke zwischen der stromaufwärts liegenden Quelle und der stromabwärts liegenden Last. Bei Schwankungen der Eingangsspannung oder des Ausgangsstroms steuert das Signal vom Fehlerverstärker präzise die Gate-Spannung (bei MOSFETs) oder den Basisstrom (bei BJTs) dieses Transistors.

● Referenzspannungsquelle: Sie dient dem Fehlerverstärker als stabiler Bezugspunkt und spielt eine entscheidende Rolle. Der Fehlerverstärker nutzt diese feste Referenz, um das Gate oder die Basis des Ausgangstransistors genau zu regeln und so eine stabile Ausgangsspannung sicherzustellen.

● Rückkopplungswiderstände: Diese Widerstände teilen die Ausgangsspannung, um eine Rückkopplungsspannung zu erzeugen. Der Fehlerverstärker vergleicht diese Rückkopplungsspannung mit der Referenzspannung, um eine präzise Ausgangsregelung zu erreichen. Die beiden Rückkopplungswiderstände sind in Reihe zwischen den VOUT- und GND-Anschlüssen verbunden, und die Spannung an ihrem Mittelpunkt wird in den Fehlerverstärker eingespeist.

● Fehlerverstärker: Als das „intelligente Gehirn“ des Reihenreglers vergleicht der Fehlerverstärker sorgfältig die Rückkopplungsspannung (d. h. die Spannung am Mittelpunkt des Widerstandsteilers) mit der Referenzspannung. Fällt die Rückkopplungsspannung unter die Referenzspannung, erhöht der Fehlerverstärker die Antriebsstärke zum MOSFET, verringert dessen Drain-Source-Spannung und hebt somit die Ausgangsspannung. Umgekehrt, wenn die Rückkopplungsspannung die Referenzspannung übersteigt, reduziert der Verstärker die Antriebsstärke des MOSFETs, erhöht dessen Drain-Source-Spannung und senkt die Ausgangsspannung entsprechend.

In diesem Artikel haben wir die Arbeitsprinzipien, Funktionen und Schaltungskonfigurationen verschiedener Arten von Spannungsreglern weiter untersucht. Im nächsten Teil werden wir den dynamischen Regelmechanismus linearer Regler erklären und die Unterschiede zwischen Drei-Pol-Reglern und LDO-Reglern (Low Dropout) klären.