Διαφορές Μεταξύ Γραμμικών Ρυθμιστών Τροφοδοσίας Προσωπικών Υπολογιστών Switching Regulators και Series Regulators

1. Γραμμικοί Προσαρμοστές σε σύγκριση με Προσαρμοστές Μετατροπής

Ένας γραμμικός προσαρμοστής απαιτεί εισερχόμενη τάση υψηλότερη από την εξερχόμενη τάση. Χειρίζεται τη διαφορά μεταξύ της εισερχόμενης και της εξερχόμενης τάσης—που γνωστή ως dropout voltage (διαφορά τάσης)—παραλλάσσοντας την αντίσταση του εσωτερικού διαχειριστικού στοιχείου (όπως έναν τρανζίστορ).

Σκέψου τον γραμμικό προσαρμοστή ως έναν ακριβή «ειδικό σε διαχείριση τάσης». Αντιμετωπίζοντας υπερβολική εισερχόμενη τάση, δραστηριοποιείται «αποφασιστικά» «κόβοντας» το μέρος που υπερβαίνει το επιθυμητό εξερχόμενο επίπεδο, διασφαλίζοντας ότι η εξερχόμενη τάση παραμένει σταθερή. Η υπερβολική τάση που «κόβεται» αποδιασπώνται τελικά ως θερμότητα, διατηρώντας μια σταθερή εξόδια.

Σε ό,τι αφορά την εναρμόνιση του περιβάλλοντος, ένας κλασικός γραμμικός προσαρμοστής χρησιμοποιεί έναν εντοπιστή σφάλματος, μια πηγή προτυπικής τάσης και έναν προσαρμοστή τάσης για να σχηματίσει ένα σύστημα κλειστής ανατροφοδότησης που συνεχώς παρακολουθεί και διορθώνει την εξερχόμενη τάση σε πραγματικό χρόνο.

Οι γραμμικοί προσαρμοστές περιλαμβάνουν κυρίως τριπολικούς προσαρμοστές και LDO (Low Dropout) προσαρμοστές. Ο πρώτος χρησιμοποιεί μια συμβατική αρχιτεκτονική που απαιτεί σχετικά μεγάλη διαφορά τάσης μεταξύ εισόδου και εξόδου (συνήθως ≥2 V), οδηγώντας σε χαμηλότερη απόδοση, και είναι κατάλληλος για εφαρμογές μεσαίου-υψηλού ισχύος. Αντίθετα, οι LDO προσαρμοστές βελτιώνονται για ελάχιστη διαφορά τάσης (ακόμη και 0.1 V), καθιστώντας τους ιδανικούς για περιβάλλοντα όπου οι εισερχόμενες και οι εξερχόμενες τάσεις είναι κοντές—όπως σε συσκευές με ενεργοποίηση από μπαταρίες—παρ' όλα αυτά, απαιτείται προσοχή στη θερμική σχεδίαση.

Το Σχήμα 1 εξηγεί τους λειτουργικούς αρχές των γραμμικών και των προσαρμοστών μετατροπής.

Οι προσαρμοστές μετατροπής, από την άλλη πλευρά, ελέγχουν την διεξήγηση και την αποσύνδεση των διαχειριστών ισχύος (π.χ., MOSFETs) για να προσαρμόσουν την περίοδο ενεργοποίησης. Η εισερχόμενη τάση μετατρέπεται σε σταθερή μέση εξερχόμενη τάση μέσω της αποθήκευσης και της φιλτραρίσης της ενέργειας από τους μετατροπείς και τους καταστάλτες.

Η πυρήνια χαρακτηριστική τους είναι η «διακόπτης» διαχείριση: η εισερχόμενη τάση χαρακτηρίζεται σε υψηλή συντομεία, και η ενέργεια που παραδίδεται στην εξόδο ελέγχεται προσαρμόζοντας την περίοδο ενεργοποίησης του διακόπτη. Αυτή η προσέγγιση επιτυγχάνει σημαντικά υψηλότερη απόδοση σε σύγκριση με τους γραμμικούς προσαρμοστές.

Κοινές τοπολογίες προσαρμοστών μετατροπής περιλαμβάνουν Buck (περιορισμός), Boost (αύξηση) και άλλες, υποστηρίζοντας ευρείες ενεργειακές τάσεις και καταλληλοποιώντας τους για εφαρμογές υψηλής ισχύος ή περιβάλλοντα με σημαντικές επικινδυνότητες στην εισερχόμενη τάση.

Το Σχήμα 2 παρέχει μια σύγκριση μεταξύ γραμμικών και προσαρμοστών μετατροπής. Μπορείτε να επιλέξετε το κατάλληλο είδος με βάση τις συγκεκριμένες ανάγκες: επιλέξτε έναν γραμμικό προσαρμοστή όταν η χαμηλή θορύβηση και η απλότητα του περιβάλλοντος είναι προτεραιότητες, επιλέξτε έναν προσαρμοστή μετατροπής όταν η υψηλή απόδοση και η υψηλή παραγωγή ισχύος είναι απαραίτητες.

2. Σειριακοί Ρυθμιστές Τάσης

Ένας σειριακός ρυθμιστής τάσης είναι τοποθετημένος μεταξύ της πηγής ενέργειας και του φορτίου, λειτουργώντας ως ακριβής «φύλακας ρύθμισης τάσης». Το πρίγκιπιο λειτουργίας του περιλαμβάνει τη δυναμική προσαρμογή της αντίστασης ενός μεταβλητού ρεσιστόρα σε απάντηση σε αλλαγές της εισερχόμενης τάσης ή του εξερχόμενου ρεύματος, με στόχο τη διατήρηση της εξερχόμενης τάσης σε σταθερή, προκαθορισμένη τιμή.

Στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία, οι ολοκληρωμένες πλάκες (IC) σειριακών ρυθμιστών χρησιμοποιούν ενεργά στοιχεία - όπως MOSFETs ή δίδυμα συνδέσμια τρανζιστόρων (BJTs) - για να αντικαταστήσουν αξιοσημείωτα τους παραδοσιακούς μεταβλητούς ρεσιστόρες, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση και την αξιοπιστία του ρυθμιστή.

Η συμβολή του περιβάλλοντος ενός σειριακού ρυθμιστή τάσης είναι ακριβής και καλά δομημένη, συνίσταται κυρίως από τα εξής τέσσερα βασικά στοιχεία:

● Εξόδιος Τρανζίστορ: Συνδέεται σε σειρά μεταξύ των εισερχόμενων και εξερχόμενων συνδέσμων του ρυθμιστή, λειτουργώντας ως γέφυρα που συνδέει την πηγή ενέργειας και το φορτίο. Όταν παρατηρούνται κυμάνσεις στην εισερχόμενη τάση ή στο εξερχόμενο ρεύμα, το σήμα από το ενισχυτή σφάλματος ελέγχει ακριβώς την τάση του πύλη (για MOSFETs) ή το ρεύμα της βάσης (για BJTs) αυτού του τρανζίστορ.

● Πηγή Αναφοράς Τάσης: Διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο ως σταθερό μέτρο για τον ενισχυτή σφάλματος. Ο ενισχυτής σφάλματος βασίζεται σε αυτή τη σταθερή αναφορά για την ακριβή ρύθμιση της πύλης ή της βάσης του εξόδιου τρανζίστορ, διασφαλίζοντας μια σταθερή εξερχόμενη τάση.

● Ρεσιστόρες Ανατροφοδότησης: Αυτοί οι ρεσιστόρες διαιρούν την εξερχόμενη τάση για να παράγουν μια τάση ανατροφοδότησης. Ο ενισχυτής σφάλματος συγκρίνει αυτή την τάση ανατροφοδότησης (δηλαδή την τάση στη μέση της διαίρεσης των ρεσιστόρων ανατροφοδότησης) με την αναφορά τάσης για να επιτευχθεί η ακριβής ρύθμιση της εξόδου. Οι δύο ρεσιστόρες ανατροφοδότησης συνδέονται σε σειρά μεταξύ των VOUT και GND συνδέσμων, και η τάση στη μέση τους εισάγεται στον ενισχυτή σφάλματος.

● Ενισχυτής Σφάλματος: Λειτουργεί ως το «νοητό μυαλό» του σειριακού ρυθμιστή, συγκρίνοντας με προσοχή την τάση ανατροφοδότησης (δηλαδή την τάση στη μέση της διαίρεσης των ρεσιστόρων ανατροφοδότησης) με την αναφορά τάσης. Εάν η τάση ανατροφοδότησης είναι χαμηλότερη από την αναφορά τάσης, ο ενισχυτής σφάλματος αυξάνει τη δύναμη ενίσχυσης στο MOSFET, μειώνοντας την τάση drain-source και αυξάνοντας έτσι την εξερχόμενη τάση. Αντίθετα, εάν η τάση ανατροφοδότησης υπερβαίνει την αναφορά τάσης, ο ενισχυτής μειώνει τη δύναμη ενίσχυσης του MOSFET, αυξάνοντας την τάση drain-source και μειώνοντας αντίστοιχα την εξερχόμενη τάση.

Σε αυτό το άρθρο, εξερευνήσαμε περαιτέρω τα πρίγκιπια λειτουργίας, τις λειτουργίες και τη συμβολή του περιβάλλοντος διαφόρων τύπων ρυθμιστών τάσης. Στην επόμενη ενέργεια, θα εξηγήσουμε το μηχανισμό δυναμικής ρύθμισης των γραμμικών ρυθμιστών και θα διευκρινίσουμε τις διαφορές μεταξύ τριμερών ρυθμιστών και LDO (Low Dropout) ρυθμιστών.