Lineaari-ohjainten sarjaohjainten ja kytkentäohjainten väliset erot

1. Lineaariregulaattorit vs. vaihtoregulaattorit

Lineaariregulaattorin tarvitsee syötejännitteeksi jännitteen, joka on suurempi kuin sen ulostulojännite. Se käsittelee eroa syöte- ja ulostulojännitteiden välillä - tunnetaan myös nimellä pudotusjännite - vaihtelevalla impedanssilla sisäisessä säätöelementissään (kuten transistorissa).

Kuvittele lineaariregulaattori tarkaksi "jännitesäädön asiantuntijaksi". Kun se kohtaa liian suuren syötejännitteen, se toimii päättäväisesti "leikkaamalla pois" osan, joka ylittää halutun ulostulojänniten, varmistaen, että ulostulojännite pysyy vakiona. Yli määrän jäävää jännitettä, joka "leikataan pois", lopulta hajottuu lämpönä, ylläpitäen vakaita ulostuloa.

Piirikonfiguraation kannalta tyypillinen sarjaregulaattori käyttää virhekytkentää, viiterejännitelähde ja passiivinen transistor muodostaakseen suljetun palautuskytkennän, joka jatkuvasti valvoo ja korjaa ulostulojännitettä reaaliaikaisesti.

Lineaariregulaattorit sisältävät pääasiassa kolmiportaisia regulaattoreita ja LDO (Low Dropout) regulaattoreita. Jälkimmäiset käyttävät perinteistä rakennetta, joka vaatii suhteellisen suuren syöte- ja ulostulojännitteen eron (yleensä ≥2 V), mikä johtaa alhaiseen tehokkuuteen, ja ovat sopivia keski- ja suurtehoisiin sovelluksiin. Toisaalta LDO-regulaattorit on optimoitu minimoidulle pudotusjännitteelle (alhaisimpina 0.1 V), mikä tekee niistä idealeja tilanteissa, joissa syöte- ja ulostulojännitteet ovat lähellä toisiaan - kuten akkupohjaisissa laitteissa - mutta lämpösuunnittelua on harkittava huolellisesti.

Kuva 1 havainnollistaa lineaaristen ja vaihtoregulaattorien toimintaperiaatteita.

Vaihtoregulaattorit puolestaan hallitsevat voimakytkentöjen (esimerkiksi MOSFET-tien) johtavuuden ja katkaisuaikaistuksen säätämällä energiansiirron tehotasoa. Syötejännite muunnetaan sitten vakaiseksi keskimääräiseksi ulostulojännitteeksi induktiivisten ja kapasitiivisten komponenttien avulla energiavarastoinnissa ja suodattamisessa.

Niiden ydinominaisuus on "moottorin leikkaustyylin" säätö: syötejännite leikataan korkealla taajuudella, ja annettu energia ulostuloon ohjataan säätämällä kytkimen tehotasoa. Tämä lähestymistapa saavuttaa huomattavasti paremman tehokkuuden verrattuna lineaariregulaattoreihin.

Yleisiä vaihtoregulaattorien topologioita ovat Buck (laskeva), Boost (nouseva) ja muut, jotka tukevat laajoja syötejännitteen vaihtelualueita ja sopivat hyvin suurtehoisiin sovelluksiin tai ympäristöihin, joissa on merkittäviä syötejännitteen heilahteluja.

Kuva 2 tarjoaa vertailun lineaariregulaattoreiden ja vaihtoregulaattoreiden välillä. Voit valita sopivan tyypin tarpeidesi mukaan: valitse lineaariregulaattori, kun painopiste on matalalla häiriöllä ja piirin yksinkertaisuudessa; valitse vaihtoregulaattori, kun tarvitset korkeaa tehokkuutta ja suurta tehoa.

2. Sarjaregulaattorit

Sarjaregulaattori sijoitetaan virranlähteen ja kuormituksen välille toimimaan tarkkana "jänniteen säätävänä vartijana". Toimintaperiaatteessaan se dynaamisesti säädellään muuttuvan vastuksen vastusta vastaamalla syöttöjännitteen tai ulosjohdin virran muutoksiin, jolloin ulosjohdin jännite pysyy vakaina asetettuna arvona.

Nykyisessä elektroniikassa sarjaregulaattorien piirijäristeissä käytetään aktiivilaitteita, kuten MOSFETeja tai bipooleja yhdisteitä (BJT), joiden avulla korvataan elegantisti perinteiset muuttuvat vastukset, mikä merkittävästi parantaa regulaattorin suorituskykyä ja luotettavuutta.

Sarjaregulaattorin piirikonfiguraatio on tarkka ja hyvin rakennettu, koostuen pääasiassa seuraavista neljästä ydinosasta:

● Ulosjohdin transistori: Yhdistetty sarjana regulaattorin syöttö- ja ulosjohtopisteiden välillä, toimii kuin silta ylöspäin olevan virranlähteen ja alaspäin olevan kuorman välillä. Kun syöttöjännitteessä tai ulosjohdin virrassa tapahtuu heilahteluja, virhekuventimen signaali säätää tämän transistorn mukaan tarkasti porttijännitettä (MOSFETeissa) tai perusvirran (BJTeissa).

● Verrannollinen jännitelähde: Toimii vakaana vertailukohtana virhekuventimelle ja pelaa kriittisen roolin. Virhekuventimen avulla tämä kiinteä viite saadaan tarkasti säätämään ulosjohdin transistoria, varmistamaan vakaa ulosjohdin jännite.

● Palautevastukset: Nämä vastukset jakavat ulosjohdin jännitteen luodakseen palautusjännitteen. Virhekuventin vertailee tätä palautusjännitettä verrannolliseen jännitteeseen tarkkaan ulosjohdin säätämiseksi. Kaksi palautusvastusta yhdistetään sarjana VOUT- ja GND-pisteiden välillä, ja niiden keskipisteen jännite syötetään virhekuventimeen.

● Virhekuventin: Toimii sarjaregulaattorin "älykkänä aivojaksoina", virhekuventin huolellisesti vertailee palautusjännitettä (eli palautusvastusten jakajan keskipisteen jännitettä) verrannolliseen jännitteeseen. Jos palautusjännite laskee alle verrannollisen jännitteen, virhekuventin lisää MOSFETin ajurin voiman, pienentäen sen draain-lähde jännitettä ja nostamalla siten ulosjohdin jännitettä. Vastaavasti, jos palautusjännite ylittää verrannollisen jännitteen, kuventin vähentää MOSFETin ajurin voimaa, kasvattamalla draain-lähde jännitettä ja alentamalla ulosjohdin jännitettä vastaavasti.

Tässä artikkelissa olemme tutkineet syvällisemmin eri tyyppeisten jänniteregulaattoreiden toimintaperiaatteita, funktioita ja piirikonfiguraatioita. Seuraavassa osassa selitetään lineaariregulaattorien dynaamisia säätömekanismeja ja selvitetään kolmen pisteen regulaattoreiden ja LDO (Low Dropout) regulaattoreiden välisiä eroja.