تفاوتهای بین تنظیمکنندههای خطی تنظیمکنندههای سوئیچینگ و تنظیمکنندههای سری
۱. تنظیمکنندههای خطی در مقابل تنظیمکنندههای سوئیچینگ
تنظیمکننده خطی نیاز به ولتاژ ورودی بزرگتر از ولتاژ خروجی دارد. آن با تغییر مقاومت عنصر تنظیمکننده داخلی (مانند ترانزیستور) اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی را که به عنوان ولتاژ درآمد شناخته میشود، مدیریت میکند.
تنظیمکننده خطی را میتوان به عنوان یک "متخصص دقیق کنترل ولتاژ" در نظر گرفت. وقتی با ولتاژ ورودی بسیار بالا مواجه میشود، به طور قاطع "عمل" میکند و بخشی از ولتاژ که فراتر از سطح خروجی مورد نظر است را "قطع" میکند، تا ولتاژ خروجی ثابت بماند. ولتاژ اضافی که "بریده" میشود در نهایت به صورت گرما تلف میشود و خروجی پایدار حفظ میکند.
از نظر ساختار مدار، یک تنظیمکننده خطی سری معمولی از یک تقویتکننده خطای، منبع ولتاژ مرجع و ترانزیستور عبوری برای تشکیل یک سیستم بازخورد حلقه بسته که به طور مداوم ولتاژ خروجی را در زمان حقیقی 监视并实时校正输出电压。
تنظیمکنندههای خطی عمدتاً شامل تنظیمکنندههای سهطرفه و LDO (Low Dropout) هستند. نوع اول از یک معماری سنتی استفاده میکند که نیاز به تفاوت ولتاژ ورودی-خروجی نسبتاً بزرگ (معمولاً ≥2 V) دارد، که منجر به کارایی پایینتر میشود و برای کاربردهای متوسط تا بالا قدرت مناسب است. در مقابل، تنظیمکنندههای LDO بهینهسازی شدهاند تا ولتاژ درآمد حداقل (حتی به اندازه 0.1 V) داشته باشند، که آنها را برای سناریوهایی که ولتاژ ورودی و خروجی نزدیک هستند - مانند دستگاههای با باتری - مناسب میکند، اگرچه طراحی حرارتی با دقت انجام شود.
شکل ۱ اصول عملکرد تنظیمکنندههای خطی و سوئیچینگ را نشان میدهد.
به طور مخالف، تنظیمکنندههای سوئیچینگ زمان رسانی و قطع تراشههای توان (مانند MOSFETs) را کنترل میکنند تا دوره تکرار انرژی را تنظیم کنند. ولتاژ ورودی سپس از طریق ذخیره سازی و فیلترسازی توسط القاءکنندهها و خازنهها به یک ولتاژ خروجی میانگین ثابت تبدیل میشود.
ویژگی اصلی آنها تنظیم «بازکنندهای» است: ولتاژ ورودی در فرکانس بالا قطع میشود، و انرژی منتقل شده به خروجی با تنظیم دوره تکرار تراشه کنترل میشود. این رویکرد کارایی قابل توجهی نسبت به تنظیمکنندههای خطی دارد.
توپولوژیهای معمول تنظیمکنندههای سوئیچینگ شامل Buck (پایینبر), Boost (بالابر) و دیگران است، که دامنه گستردهای از ولتاژ ورودی را پشتیبانی میکنند و برای کاربردهای با قدرت بالا یا محیطهایی با نوسانات قابل توجه ولتاژ ورودی مناسب هستند.
شکل ۲ مقایسهای بین تنظیمکنندههای خطی و سوئیچینگ ارائه میدهد. میتوانید نوع مناسب را بر اساس نیازهای خاص خود انتخاب کنید: وقتی کمصدا بودن و سادگی مدار اولویت دارد، تنظیمکننده خطی را انتخاب کنید؛ وقتی کارایی بالا و تحویل توان زیاد لازم است، تنظیمکننده سوئیچینگ را انتخاب کنید.
请允许我更正上述翻译中的错误，确保完全符合达里语的书写体和语境要求：۱. تنظیمکنندههای خطی در مقابل تنظیمکنندههای سوئیچینگ
تنظیمکننده خطی نیاز به ولتاژ ورودی بزرگتر از ولتاژ خروجی دارد. آن با تغییر مقاومت عنصر تنظیمکننده داخلی (مانند ترانزیستور) اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی را که به عنوان ولتاژ درآمد شناخته میشود، مدیریت میکند.
تنظیمکننده خطی را میتوان به عنوان یک "متخصص دقیق کنترل ولتاژ" در نظر گرفت. وقتی با ولتاژ ورودی بسیار بالا مواجه میشود، به طور قاطع "عمل" میکند و بخشی از ولتاژ که فراتر از سطح خروجی مورد نظر است را "قطع" میکند، تا ولتاژ خروجی ثابت بماند. ولتاژ اضافی که "بریده" میشود در نهایت به صورت گرما تلف میشود و خروجی پایدار حفظ میکند.
از نظر ساختار مدار، یک تنظیمکننده خطی سری معمولی از یک تقویتکننده خطای، منبع ولتاژ مرجع و ترانزیستور عبوری برای تشکیل یک سیستم بازخورد حلقه بسته که به طور مداوم ولتاژ خروجی را در زمان حقیقی نظارت و اصلاح میکند، استفاده میکند.
تنظیمکنندههای خطی عمدتاً شامل تنظیمکنندههای سهطرفه و LDO (Low Dropout) هستند. نوع اول از یک معماری سنتی استفاده میکند که نیاز به تفاوت ولتاژ ورودی-خروجی نسبتاً بزرگ (معمولاً ≥2 V) دارد، که منجر به کارایی پایینتر میشود و برای کاربردهای متوسط تا بالا قدرت مناسب است. در مقابل، تنظیمکنندههای LDO بهینهسازی شدهاند تا ولتاژ درآمد حداقل (حتی به اندازه 0.1 V) داشته باشند، که آنها را برای سناریوهایی که ولتاژ ورودی و خروجی نزدیک هستند - مانند دستگاههای با باتری - مناسب میکند، اگرچه طراحی حرارتی با دقت انجام شود.
شکل ۱ اصول عملکرد تنظیمکنندههای خطی و سوئیچینگ را نشان میدهد.
به طور مخالف، تنظیمکنندههای سوئیچینگ زمان رسانی و قطع تراشههای توان (مانند MOSFETs) را کنترل میکنند تا دوره تکرار انرژی را تنظیم کنند. ولتاژ ورودی سپس از طریق ذخیره سازی و فیلترسازی توسط القاءکنندهها و خازنهها به یک ولتاژ خروجی میانگین ثابت تبدیل میشود.
ویژگی اصلی آنها تنظیم «بازکنندهای» است: ولتاژ ورودی در فرکانس بالا قطع میشود، و انرژی منتقل شده به خروجی با تنظیم دوره تکرار تراشه کنترل میشود. این رویکرد کارایی قابل توجهی نسبت به تنظیمکنندههای خطی دارد.
توپولوژیهای معمول تنظیمکنندههای سوئیچینگ شامل Buck (پایینبر)، Boost (بالابر) و دیگران است، که دامنه گستردهای از ولتاژ ورودی را پشتیبانی میکنند و برای کاربردهای با قدرت بالا یا محیطهایی با نوسانات قابل توجه ولتاژ ورودی مناسب هستند.
شکل ۲ مقایسهای بین تنظیمکنندههای خطی و سوئیچینگ ارائه میدهد. میتوانید نوع مناسب را بر اساس نیازهای خاص خود انتخاب کنید: وقتی کمصدا بودن و سادگی مدار اولویت دارد، تنظیمکننده خطی را انتخاب کنید؛ وقتی کارایی بالا و تحویل توان زیاد لازم است، تنظیمکننده سوئیچینگ را انتخاب کنید.
| ویژگیها | تنظیمکننده خطی | تنظیمکننده تبادلی |
| کارایی | پایین (اتلاف بالا وقتی اختلاف ولتاژ زیاد است) | بالا (۸۰٪-۹۵٪) |
| نیاز به تخلیه حرارت | نیاز به رادیاتور (حرارت مستقیماً تخلیه میشود) | پایین (حرارت غیرمستقیماً از دست داده میشود به دلیل اتلاف تبادلی) |
| نوسان | خروجی خالص، بدون نوسان با فرکانس بالا | نوسان تبادلی وجود دارد، بهینهسازی فیلتر لازم است |
| سناریوهای کاربردی | منابع تغذیه با قدرت پایین و دقت بالا (مانند سنسورها) | منابع تغذیه با قدرت بالا و محدوده ورودی ولتاژ گسترده (مانند ماژولهای توان) |
2. تنظیمکنندههای ولتاژ سری
تنظیمکننده ولتاژ سری بین منبع تغذیه و بار قرار میگیرد و نقش یک «محافظ دقیق تنظیم ولتاژ» را ایفا میکند. اصل عمل آن شامل تنظیم پویای مقاومت یک مقاومت متغیر در پاسخ به تغییرات ولتاژ ورودی یا جریان خروجی است، که با این کار ولتاژ خروجی را در مقدار ثابت و پیشتعیین شده حفظ میکند.
در فناوری الکترونیک مدرن، ICهای تنظیمکننده سری از دستگاههای فعال مانند MOSFET یا ترانزیستورهای تقاطع دوجunct bipolar junction transistors (BJTs) برای جایگزینی زیبا و مؤثر مقاومتهای متغیر سنتی استفاده میکنند، که با این کار عملکرد و قابلیت اطمینان تنظیمکننده به طور قابل توجهی افزایش مییابد.
ساختار مدار تنظیمکننده ولتاژ سری دقیق و خوشساختار است و عمدتاً از چهار مولفه اصلی زیر تشکیل شده است:
● ترانزیستور خروجی: بین پینهای ورودی و خروجی تنظیمکننده به صورت سری وصل میشود و نقش پلی بین منبع تغذیه بالادست و بار پاییندست را ایفا میکند. هنگامی که نوساناتی در ولتاژ ورودی یا جریان خروجی رخ میدهد، سیگنال از تقویتکننده خطای دقیقاً ولتاژ گیت (برای MOSFETs) یا جریان پایه (برای BJTs) این ترانزیستور را کنترل میکند.
● منبع ولتاژ مرجع: به عنوان معیار ثابت برای تقویتکننده خطای نقش مهمی ایفا میکند. تقویتکننده خطای از این مرجع ثابت برای تنظیم دقیق گیت یا پایه ترانزیستور خروجی استفاده میکند، که با این کار ولتاژ خروجی ثابت میماند.
● مقاومتهای بازخورد: این مقاومتها ولتاژ خروجی را تقسیم میکنند تا یک ولتاژ بازخورد تولید کنند. تقویتکننده خطای این ولتاژ بازخورد (یعنی ولتاژ در نقطه میانی مقاومتهای تقسیمکننده بازخورد) را با ولتاژ مرجع مقایسه میکند تا تنظیم دقیق خروجی را به دست آورد. دو مقاومت بازخورد به صورت سری بین پین VOUT و GND وصل میشوند و ولتاژ در نقطه میانی آنها به تقویتکننده خطای وارد میشود.
● تقویتکننده خطای: به عنوان «مخ مelligent brain» تنظیمکننده سری عمل میکند و با دقت ولتاژ بازخورد (یعنی ولتاژ در نقطه میانی مقاومتهای تقسیمکننده بازخورد) را با ولتاژ مرجع مقایسه میکند. اگر ولتاژ بازخورد کمتر از ولتاژ مرجع باشد، تقویتکننده خطای قدرت گیت MOSFET را افزایش میدهد، ولتاژ drain-source آن را کاهش میدهد و بنابراین ولتاژ خروجی را افزایش میدهد. برعکس، اگر ولتاژ بازخورد بیشتر از ولتاژ مرجع باشد، تقویتکننده خطای قدرت گیت MOSFET را کاهش میدهد، ولتاژ drain-source آن را افزایش میدهد و بنابراین ولتاژ خروجی را کاهش میدهد.
در این مقاله، ما به بررسی اصول کار، وظایف و ساختار مداری چند نوع تنظیمکننده ولتاژ پرداختهایم. در قسمت بعدی، مکانیزم تنظیم پویای تنظیمکنندههای خطی را توضیح خواهیم داد و تفاوتهای بین تنظیمکنندههای سهپین و LDO (Low Dropout) را روشن خواهیم کرد.
