Разлики между линейни регулатори свичещи регулатори и серийни регулатори

1. Линейни регулатори vs. Пременливи регулатори

Линейният регулатор изисква входно напрежение, което е по-високо от изходното напрежение. Той обработва разликата между входното и изходното напрежение – известна като напрежение на „падане“ – чрез промяна на импеданса на своята вътрешна регулираща компонента (например транзистор).

Мислете за линейния регулатор като за прецизен „експерт по контрол на напрежението“. Когато се изправи пред прекомерно входно напрежение, той решително „постъпва“, „изрязвайки“ частта, която надхвърля желаното ниво на изходното напрежение, осигурявайки постоянство на изходното напрежение. Превишаващото напрежение, което е „изрязано“, в крайна сметка се дисипира като топлина, поддържайки стабилно изходно напрежение.

По отношение на конфигурацията на схемата, типичен серийен линейен регулатор използва усилвател на грешката, източник на референтно напрежение и транзистор за провеждане, за да създаде затворена система за обратна връзка, която непрекъснато мониторира и коригира изходното напрежение в реално време.

Линейните регулатори включват основно три-терминални регулатори и LDO (Low Dropout) регулатори. Първият използва традиционна архитектура, изискваща относително голяма разлика между входното и изходното напрежение (обикновено ≥2 В), което води до по-ниска ефективност, и е подходящ за приложения с умерена до висока мощност. В сравнение, LDO регулаторите са оптимизирани за минимално напрежение на „падане“ (до 0.1 В), което ги прави идеални за сценарии, когато входното и изходното напрежение са близки – например в устройства, питащи се от батерии – макар и да е необходима внимателна термична проектиране.

Фигура 1 илюстрира принципите на действие на линейните и пременливите регулатори.

От друга страна, пременливите регулатори контролират времето на провеждане и изключване на силови ключове (например MOSFET) за да регулират цикличното отношение на прехвърлянето на енергия. Входното напрежение се преобразува в стабилно средно изходно напрежение чрез съхранение и филтриране на енергията от индуктивности и кондензатори.

Их основна характеристика е регулировка в „режим на секач“: входното напрежение се секе с висока честота, а енергията, доставена до изхода, се контролира чрез регулиране на цикличното отношение на ключа. Този подход достига значително по-висока ефективност в сравнение с линейните регулатори.

Общи топологии на пременливите регулатори включват Buck (понижаващ), Boost (повишаващ) и други, поддържащи широк диапазон на входното напрежение, което ги прави подходящи за приложения с висока мощност или в условия с значителни колебания на входното напрежение.

Фигура 2 предоставя сравнение между линейните и пременливите регулатори. Можете да изберете подходящия тип в зависимост от конкретните нужди: изберете линейн регулатор, когато приоритет са ниският шум и простотата на схемата; изберете пременлив регулатор, когато са необходими висока ефективност и висока доставка на мощност.

2. Серийни регулатори на напрежението

Серийният регулатор на напрежението е поставен между източника на мощност и товара, действайки като прецизен „пазител на регулиране на напрежението“. Неговият принцип на действие включва динамично регулиране на съпротивлението на променлив резистор в отговор на промени в входното напрежение или изходния ток, така че да се поддържа изходното напрежение при стабилна, предварително зададена стойност.

В съвременната електронна технология серийните интегрални схеми (ИС) за регулиране на напрежението използват активни устройства – такива като МОП-транзистори или биполярни юнктионни транзистори (BJT) – за елегантно заместване на традиционните променливи резистори, което значително подобрява производителността и надеждността на регулатора.

Конфигурацията на схемата на серийния регулатор на напрежението е прецизна и добре структурирана, основно състояща се от следните четири основни компонента:

● Изходен транзистор: Свързан в серия между входните и изходните пинове на регулатора, той действа като мост, свързващ горнотока източник на мощност и долнотока товар. Когато се наблюдават колебания в входното напрежение или изходния ток, сигналът от усилителя на грешката точно контролира затворното напрежение (за МОП-транзистори) или базовия ток (за BJT) на този транзистор.

● Источник на референтно напрежение: Функционирайки като стабилен стандарт за усилителя на грешката, източникът на референтно напрежение играе критична роля. Усилителят на грешката разчита на тази фиксирана референция, за да регулира точно затвора или базата на изходния транзистор, гарантирайки стабилно изходно напрежение.

● Резистори за обратна връзка: Тези резистори делат изходното напрежение, за да генерира напрежение за обратна връзка. Усилителят на грешката сравнява това напрежение за обратна връзка с референтното напрежение, за да постигне точна регулация на изхода. Двата резистора за обратна връзка са свързани в серия между VOUT и GND пиновете, а напрежението в средата им е подавано в усилителя на грешката.

● Усилител на грешката: Функционирайки като „уменият мозък“ на серийния регулатор, усилителят на грешката внимателно сравнява напрежението за обратна връзка (т.е. напрежението в средата на делителния резистор) с референтното напрежение. Ако напрежението за обратна връзка падне под референтното напрежение, усилителят на грешката увеличава силата на управлението към МОП-транзистора, намалявайки неговото напрежение между затвора и източника и повишавайки изходното напрежение. Обратно, ако напрежението за обратна връзка надвиши референтното напрежение, усилителят намалява силата на управлението към МОП-транзистора, увеличавайки напрежението между затвора и източника и намалявайки изходното напрежение съответно.

В тази статия ние по-нататък разгледахме работните принципи, функциите и конфигурацията на схемите на различни типове регулатори на напрежението. В следващата част ще обясним механизма на динамичното регулиране на линейните регулатори и ще поясним разликите между три-терминални регулатори и LDO (Low Dropout) регулатори.