Rozdíly mezi lineárními regulátory přepínacími regulátory a sériovými regulátory

1. Lineární regulátory vs. přepínací regulátory

Lineární regulátor vyžaduje vstupní napětí vyšší než jeho výstupní napětí. Řídí rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím, známý jako dropout napětí, tím, že mění impedanci svého interního regulačního prvku (jako je tranzistor).

Představte si lineární regulátor jako přesného „ořezávače napětí“. Když se setká s příliš vysokým vstupním napětím, rozhodně „zakročí“ a „odřízne“ část, která přesahuje požadovanou úroveň výstupu, aby zajistil konstantní výstupní napětí. Přebytečné napětí, které je „ořezáno“, je nakonec disipováno jako teplo, udržující stabilní výstup.

V oblasti konfigurace obvodu používá typický sériový lineární regulátor chybové zesilovače, referenčního zdroje napětí a propustného tranzistoru k vytvoření uzavřené smyčky zpětné vazby, která neustále monitoruje a opravuje výstupní napětí v reálném čase.

Lineární regulátory zahrnují hlavně třípólové regulátory a LDO (Low Dropout) regulátory. První používají tradiční architekturu, která vyžaduje relativně velký rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím (typicky ≥2 V), což vede ke snížené efektivitě, a jsou vhodné pro středně a vysokovýkonové aplikace. Naopak LDO regulátory jsou optimalizovány pro minimální dropout napětí (až 0,1 V), což je ideální pro scénáře, kde jsou vstupní a výstupní napětí blízká, jako například v bateriových zařízeních, i když je třeba pečlivě navrhnout termální aspekty.

Obrázek 1 ilustruje principy fungování lineárních a přepínacích regulátorů.

Na druhou stranu přepínací regulátory ovládají časování provedení a vypnutí elektrických spínačů (např. MOSFETy) k úpravě cyklu energie. Vstupní napětí je pak převedeno na stabilní průměrné výstupní napětí prostřednictvím ukládání a filtrace energie pomocí cívek a kondenzátorů.

Jejich klíčovou charakteristikou je „sekací“ regulace: vstupní napětí je sekáno vysokou frekvencí a energie dodávaná na výstup je řízena upravováním cyklu spínače. Tento přístup dosahuje výrazně vyšší efektivity ve srovnání s lineárními regulátory.

Běžné topologie přepínacích regulátorů zahrnují Buck (snížení), Boost (zvýšení) a další, podporují široké rozsahy vstupních napětí a jsou vhodné pro vysokovýkonové aplikace nebo prostředí s výraznými fluktuacemi vstupního napětí.

Obrázek 2 poskytuje srovnání mezi lineárními a přepínacími regulátory. Můžete vybrat vhodný typ podle vašich specifických potřeb: zvolte lineární regulátor, pokud máte prioritou nízké šumy a jednoduchost obvodu; zvolte přepínací regulátor, pokud potřebujete vysokou efektivitu a vysoký výkon.

2. Serií regulačních obvodů napětí

Serií regulační obvod napětí je umístěn mezi zdrojem energie a spotřebičem, funguje jako přesný „strážce regulace napětí“. Jeho princip fungování spočívá v dynamické úpravě odporu proměnného odporníku v reakci na změny vstupního napětí nebo výstupního proudu, čímž udržuje výstupní napětí na stabilní, předem nastavené hodnotě.

V moderní elektronické technologii používají integrované obvody sériových regulátorů aktivní součástky – jako jsou MOSFETy nebo bipolární tranzistory (BJT) – k elegantnímu nahrazení tradičních proměnných odporníků, což výrazně zvyšuje výkon a spolehlivost regulátoru.

Circuitní konfigurace sériového regulačního obvodu napětí je přesná a dobře strukturovaná, hlavně se skládá ze čtyř základních komponent:

● Výstupní tranzistor: Je zapojen v sérii mezi vstupními a výstupními piny regulátoru, funguje jako most propojující zdroj energie nahoře a spotřebič níže. Při výkyve vstupního napětí nebo výstupního proudu signál z chybového zesilovače přesně ovládá bránové napětí (pro MOSFETy) nebo bázový proud (pro BJT) tohoto tranzistoru.

● Zdroj referenčního napětí: Slouží jako stabilní benchmark pro chybový zesilovač, hraje klíčovou roli. Chybový zesilovač se spoléhá na tento pevný referenční bod k přesné regulaci brány nebo báze výstupního tranzistoru, což zajistí stabilní výstupní napětí.

● Odporové zpětnovazební odpory: Tyto odpory dělí výstupní napětí k vytvoření zpětnovazebního napětí. Chybový zesilovač porovnává toto zpětnovazební napětí s referenčním napětím k dosažení přesné výstupní regulace. Dva zpětnovazební odpory jsou zapojeny v sérii mezi VOUT a GND piny, a napětí ve středu je vedeno do chybového zesilovače.

● Chybový zesilovač: Funkcionuje jako „inteligentní mozek“ sériového regulátoru, chybový zesilovač pečlivě porovnává zpětnovazební napětí (tj. napětí ve středu děliče zpětnovazebních odporníků) s referenčním napětím. Pokud zpětnovazební napětí klesne pod referenční napětí, chybový zesilovač zvýší sílu řízení MOSFETu, snižuje jeho napětí mezi drenem a zdrojem a tedy zvyšuje výstupní napětí. Naopak, pokud zpětnovazební napětí překročí referenční napětí, zesilovač sníží sílu řízení MOSFETu, zvyšuje napětí mezi drenem a zdrojem a tedy snižuje výstupní napětí.

V tomto článku jsme dále prozkoumali principy fungování, funkce a circuitní konfigurace několika typů regulačních obvodů napětí. V další části vysvětlíme dynamický regulační mechanismus lineárních regulátorů a objasníme rozdíly mezi trojspínovými regulátory a LDO (Low Dropout) regulátory.