تفاوتهای بین تنظیمکنندههای خطی تنظیمکنندههای سوئیچینگ و تنظیمکنندههای سری
۱. تنظیمکنندههای خطی در مقایسه با تنظیمکنندههای ترانزیستوری
تنظیمکننده خطی به ولتاژ ورودی بالاتر از ولتاژ خروجی نیاز دارد. این دستگاه اختلاف بین ولتاژ ورودی و خروجی - که به آن ولتاژ پرت شدن میگویند - را با تغییر مقاومت عنصر تنظیمکننده داخلی خود (مانند یک ترانزیستور) مدیریت میکند.
به تنظیمکننده خطی میتوان یک «متخصص دقیق کنترل ولتاژ» در نظر گرفت. زمانی که با ولتاژ ورودی اضافی مواجه میشود، تصمیمگیری قاطع میکند و بخشی از ولتاژی که از سطح مورد نظر خروجی فراتر میرود را «قطع» میکند تا ولتاژ خروجی ثابت بماند. ولتاژ اضافی که «بُرش داده» میشود، در نهایت به صورت گرما پخش میشود و خروجی پایدار حفظ میکند.
از نظر ساختار مداری، یک تنظیمکننده خطی سری معمولی از یک تقویتکننده خطا، منبع ولتاژ مرجع و یک ترانزیستور عبوری برای تشکیل یک سیستم بازخورد حلقه بسته استفاده میکند که به طور مداوم ولتاژ خروجی را در زمان واقعی نظارت و اصلاح میکند.
تنظیمکنندههای خطی عمدتاً شامل تنظیمکنندههای سهپین و LDO (Low Dropout) هستند. اولی از یک معماری سنتی استفاده میکند که نیاز به اختلاف ولتاژ ورودی-خروجی نسبتاً زیاد (معمولاً ≥۲ V) دارد، که منجر به کارایی کمتر میشود و برای کاربردهای متوسط تا پرقدرت مناسب است. در مقابل، تنظیمکنندههای LDO برای حداقل ولتاژ پرت شدن (تا ۰٫۱ V) بهینه شدهاند که آنها را برای سناریوهایی که ولتاژ ورودی و خروجی نزدیک هستند - مانند دستگاههای با باتری - ایدئال میسازد، اگرچه طراحی حرارتی دقیق ضروری است.
شکل ۱ اصول عملکرد تنظیمکنندههای خطی و ترانزیستوری را نشان میدهد.
در مقابل، تنظیمکنندههای ترانزیستوری زمان رسانایی و قطع ترانزیستورهای قدرت (مانند MOSFETs) را کنترل میکنند تا دوره کاری انتقال انرژی را تنظیم کنند. سپس ولتاژ ورودی از طریق ذخیرهسازی و فیلتر کردن توسط القاعدهها و خازنهای الکتریکی به یک ولتاژ خروجی متوسط پایدار تبدیل میشود.
ویژگی اصلی آنها تنظیم «رندهای» است: ولتاژ ورودی در فرکانس بالا رنده میشود و انرژی منتقل شده به خروجی با تنظیم دوره کاری سوئیچ کنترل میشود. این رویکرد کارایی قابل توجهی نسبت به تنظیمکنندههای خطی دارد.
توپولوژیهای معمول تنظیمکنندههای ترانزیستوری شامل Buck (پایینبر)، Boost (بالابر) و غیره هستند که محدوده ولتاژ ورودی گستردهای را پشتیبانی میکنند و برای کاربردهای پرقدرت یا محیطهایی با نوسانات قابل توجه ولتاژ ورودی مناسب هستند.
شکل ۲ مقایسهای بین تنظیمکنندههای خطی و ترانزیستوری ارائه میدهد. میتوانید نوع مناسب را بر اساس نیازهای خاص خود انتخاب کنید: تنظیمکننده خطی را وقتی که کمصدا بودن و سادگی مدار اولویت دارد انتخاب کنید؛ تنظیمکننده ترانزیستوری را وقتی که کارایی بالا و تحویل توان بالا مورد نیاز است انتخاب کنید.
| ویژگیها | تنظیمکننده خطی | تنظیمکننده ترانزیستوری |
| کارایی | پایین (اتلاف بالا زمانی که تفاوت ولتاژ بزرگ است) | بالا (۸۰٪-۹۵٪) |
| نیاز به تảnش حرارتی | نیاز به رادیاتور (حرارت مستقیماً تảnش میشود) | پایین (حرارت غیرمستقیم از دسترسی ترانزیستوری ایجاد میشود) |
| نوسان | خروجی خالص، بدون نوسان با فرکانس بالا | نوسان ترانزیستوری وجود دارد، بهینهسازی فیلتر لازم است |
| سناریوهای کاربردی | منابع تغذیه با قدرت پایین و دقت بالا (مثلاً سنسورها) | منابع تغذیه با قدرت بالا و محدوده ولتاژ ورودی گسترده (مثلاً 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 دینامیک مقاومت یک مقاومت متغیر در پاسخ به تغییرات ولتاژ ورودی یا جریان خروجی است، به طوری که ولتاژ خروجی در یک مقدار ثابت و پیشتعیین شده حفظ میشود.
در فناوری الکترونیک مدرن، ICهای تنظیمکننده سری از دستگاههای فعال مانند MOSFET یا ترانزیستورهای تقاطع دوقطبی (BJT) 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 خوشساخت است و عمدتاً از چهار عنصر اصلی زیر تشکیل شده است:
● ترانزیستور خروجی: بین پینهای ورودی و خروجی تنظیمکننده به صورت سری متصل میشود و نقش پلی را بین منبع تغذیه بالادستی و بار پاییندستی ایفا میکند. هنگامی که نوساناتی در ولتاژ ورودی یا جریان خروجی رخ میدهد، سیگنال از تقویتکننده خطای دقیقاً ولتاژ گیت (برای MOSFET) یا جریان پایه (برای BJT) این ترانزیستور را کنترل میکند.
● منبع ولتاژ مرجع: به عنوان معیار ثابت برای تقویتکننده خطا، منبع ولتاژ مرجع نقش بسیار مهمی ایفا میکند. تقویتکننده خطا به این مرجع ثابت متکی است تا ولتاژ گیت یا پایه ترانزیستور خروجی را با دقت تنظیم کند و بدین ترتیب ولتاژ خروجی ثابت را تضمین کند.
● مقاومتهای بازخورد: این مقاومتها ولتاژ خروجی را تقسیم میکنند تا ولتاژ بازخورد را تولید کنند. تقویتکننده خطا این ولتاژ بازخورد را با ولتاژ مرجع مقایسه میکند تا تنظیم دقیق خروجی را به دست آورد. دو مقاومت بازخورد بین پین VOUT و GND به صورت سری متصل میشوند و ولتاژ در نقطه میانی آنها به تقویتکننده خطا وارد میشود.
● تقویتکننده خطا: به عنوان «مغز هوشمند» تنظیمکننده سری، تقویتکننده خطا به دقت ولتاژ بازخورد (یعنی ولتاژ در نقطه میانی مقاومتهای بازخورد) را با ولتاژ مرجع مقایسه میکند. اگر ولتاژ بازخورد کمتر از ولتاژ مرجع باشد، تقویتکننده خطا توان محرک به MOSFET را افزایش میدهد، ولتاژ درونی-خارجی آن را کاهش میدهد و بدین ترتیب ولتاژ خروجی را افزایش میدهد. در مقابل، اگر ولتاژ بازخورد بیشتر از ولتاژ مرجع باشد، تقویتکننده خطا توان محرک MOSFET را کاهش میدهد، ولتاژ درونی-خارجی آن را افزایش میدهد و ولتاژ خروجی را کاهش میدهد.
در این مقاله، ما به بررسی اصول کار، وظایف و ساختار مداری چند نوع تنظیمکننده ولتاژ پرداختهایم. در بخش بعدی، مکانیزم تنظیم دینامیکی تنظیمکنندههای خطی را توضیح خواهیم داد و تفاوت بین تنظیمکنندههای سهپین و LDO (Low Dropout) را روشن خواهیم کرد.
