Lineáris szabályozók közötti különbségek kapcsolószabályozók és sor-szabályozók között

1. Lineáris szabályozók vs. kapcsolós szabályozók

A lineáris szabályozónak magasabb bemeneti feszültségre van szüksége, mint amit kimenetre ad. Kezeli a bemeneti és kimeneti feszültség közötti különbséget—ami a dropout feszültségként ismert—azáltal, hogy módosítja a belső szabályozó elem (pl. tranzisztor) impedanciáját.

Gondoljunk a lineáris szabályozóra, mint egy precíz „feszültség-ellenőrzési szakértőre.” Ha túl magas a bemeneti feszültség, határozottan „beavatkozik” és „levágja” a részt, ami meghaladja a kívánt kimeneti szintet, így biztosítva, hogy a kimeneti feszültség állandó maradjon. A levágott felesleges feszültség végül hő formájában szóródik, fenntartva így a stabil kimenetet.

Körök konfigurációjának szempontjából egy tipikus soros lineáris szabályozó hibavizsgálót, referencia feszültségforrást és passzív tranzisztorral alakít ki egy zárt hurok visszacsatolási rendszert, ami folyamatosan figyeli és korrigálja a kimeneti feszültséget valós időben.

A lineáris szabályozók főleg három csapátes szabályozókba és LDO (Low Dropout) szabályozókba oszthatók. Az előbbiek hagyományos architektúrát használnak, ami relatíve nagy bemeneti-kimeneti feszültség különbséget igényel (általában ≥2 V), ami alacsonyabb hatékonyságot eredményez, és alkalmas közepes-nagy teljesítményű alkalmazásokhoz. Ellenben az LDO szabályozók minimalizált dropout feszültségre (akár 0.1 V) vannak optimalizálva, ami ideális olyan helyzetekre, ahol a bemeneti és kimeneti feszültségek közel vannak egymáshoz—mint például akkumulátorral ellátott eszközökben—bár itt is szükség van óvatos hőmérsékleti tervezésre.

Az 1. ábra bemutatja a lineáris és kapcsolós szabályozók működési elvét.

A kapcsolós szabályozók pedig a tápegységek (pl. MOSFET-ek) vezető és lezárt állapotának időzítésével adják meg az energiaátvitel időarányát. A bemeneti feszültséget ekkor egy stabil átlagos kimeneti feszültséggé alakítják induktív és kapacitív energiatárolás és szűrés révén.

Lényeges jellemzőjük a „daráló stílusú” szabályozás: a bemeneti feszültséget magas frekvencián darálják, és a kimenetre továbbított energia mennyiségét a kapcsoló időarányának beállításával irányítják. Ez a módszer jelentősen magasabb hatékonyságot eredményez, mint a lineáris szabályozóknál.

A kapcsolós szabályozók gyakori topológiái tartalmazzák a Buck (lefelé), Boost (felfelé) és más típusokat, amelyek széles bemeneti feszültség tartományt támogatnak, ami jól illik a nagy teljesítményű alkalmazásokhoz vagy olyan környezetekhez, ahol jelentős bemeneti feszültség-fluktuációk vannak.

A 2. ábra összehasonlítja a lineáris és kapcsolós szabályozókat. A konkrét igényeik szerint választhatják a megfelelő típust: válasszanak lineáris szabályozót, ha alacsony zaj és egyszerű kör a prioritás, kapcsolós szabályozót, ha magas hatékonyság és nagy teljesítmény szükséges.

2. Soros feszültségállítók

A soros feszültségállító elhelyezkedik a tápegység és a terhelés között, mint egy pontos "feszültség-állító őr." Működési elvét úgy értjük, hogy dinamikusan állítja be a változó ellenállás ellenállását a bemeneti feszültség vagy kimeneti áram változásaira reagálva, így fenntartva a kimeneti feszültséget egy stabil, előre beállított értéken.

A modern elektronikus technológiában a soros szabályozó IC-k aktív eszközöket használnak, például MOSFET-eket vagy dipoláris csomópontú tranzisztorokat (BJT), hogy elegánsan helyettesítsék a hagyományos változó ellenállásokat, jelentősen javítva a szabályozó teljesítményét és megbízhatóságát.

A soros feszültségállító áramkör konfigurációja precíz és jól strukturált, főleg az alábbi négy alapvető összetevőből áll:

● Kimeneti tranzisztor: Sorban kapcsolódik a szabályozó bemeneti és kimeneti csapatai között, mint egy híd a felsőbb rétegű tápegység és a lentebb lévő terhelés között. Amikor a bemeneti feszültség vagy a kimeneti áram fluktuál, a hibaerősítő pontosan irányítja e tranzisztor kapcsolófeszültségét (MOSFET-eknél) vagy bázisáramát (BJT-eknél).

● Referenciafeszültség forrása: A hibaerősítő stabil alapértelmezett értéke, amely kulcsszerepet játszik. A hibaerősítő ennek a fix referenciaértéknek a segítségével pontosan szabályozza a kimeneti tranzisztor kapcsolófeszültségét vagy bázisáramát, így biztosítva a stabil kimeneti feszültséget.

● Visszacsatolási ellenállások: Ezek az ellenállások a kimeneti feszültséget osztják, hogy visszacsatoló feszültséget generáljanak. A hibaerősítő ezt a visszacsatoló feszültséget hasonlítja a referenciafeszültséggel, hogy pontos kimeneti szabályozást érjen el. A két visszacsatoló ellenállás sorban kapcsolódik a VOUT és a GND csapathoz, és a közöttük lévő pont feszültsége a hibaerősítőbe kerül.

● Hibaerősítő: Működik mint a soros szabályozó "intelligens agya", a hibaerősítő óvatosan összehasonlítja a visszacsatoló feszültséget (azaz a visszacsatoló ellenállásos osztó közepén lévő feszültséget) a referenciafeszültséggel. Ha a visszacsatoló feszültség alacsonyabb, mint a referenciafeszültség, a hibaerősítő növeli a MOSFET-hez adott vezérlési erőt, csökkentve a drain-source feszültségét, és emelje a kimeneti feszültséget. Fordítva, ha a visszacsatoló feszültség magasabb, mint a referenciafeszültség, az erősítő csökkenti a MOSFET vezérlési erőt, növelve a drain-source feszültséget, és ennek megfelelően csökkentve a kimeneti feszültséget.

Ebben a cikkben tovább vizsgáltuk a különböző típusú feszültségállítók működési elvét, funkcióit és áramkör konfigurációját. A következő részben megvilágítjuk a lineáris szabályozók dinamikus szabályozási mechanizmusát, valamint tisztázni fogjuk a háromcsapatú szabályozók és LDO (Low Dropout) szabályozók közötti különbségeket.