Forskjeller mellom lineære regulatorer switcheregulatorer og serie-regulatorer

1. Lineære regulatorer vs. skifteregulatorer

En lineær regulator krever en inngangsspenning høyere enn dens utgangsspenning. Den håndterer forskjellen mellom inngangs- og utgangsspenningen—kjent som dropout-spenningen—ved å endre impedansen til sitt interne reguleringselement (for eksempel en transistor).

Tenk på en lineær regulator som en nøyaktig “spenningsekspert.” Når den støter på for høy inngangsspenning, handler den avgjørende ved å “klippe av” den delen som overstiger ønsket utgangsnivå, for å sikre at utgangsspenningen forbli konstant. Den overflødige spenningen som blir “klippet bort” omdannes til slutt til varme, noe som opprettholder en stabil utgang.

Når det gjelder kretskonfigurasjon, bruker en typisk serie-lineær regulator en feilforsterker, en referansevoltagekilde, og en pass-transistor for å danne et lukket sløyfe-tilbakemeldingssystem som kontinuerlig overvåker og retter utgangsspenningen i sanntid.

Lineære regulatorer inkluderer hovedsakelig treterminal-regulatorer og LDO (Low Dropout) regulatorer. De første bruker en tradisjonell arkitektur som krever en relativt stor inngangs-utgangsspenningsforskjell (typisk ≥2 V), noe som fører til lavere effektivitet, og er egnet for mellom- til høyeffektsapplikasjoner. I motsetning til dette er LDO-regulatorer optimert for minimal dropout-spenning (ned til 0.1 V), noe som gjør dem ideelle for situasjoner der inngangs- og utgangsspenningene er nære hverandre—som i batteridrevne enheter—selv om det kreves nøye termisk design.

Figur 1 illustrerer virkeprinsippene for lineære og skifteregulatorer.

Skifteregulatorer, på sin side, kontrollerer ledelsestiden og avslutningstiden for strømkontakter (for eksempel MOSFET-er) for å justere energioverføringsduty-cyklus. Deretter konverteres inngangsspenningen til en stabil gjennomsnittsutgangsspenning gjennom energilagring og filtrering av spoler og kondensatorer.

Deres kjernetrek er “hakk-stil”-regulering: inngangsspenningen hakkas på høy frekvens, og energien som leveres til utgangen, styres ved å justere duty-cyklen for skruene. Dette tilnærmingen oppnår betydelig høyere effektivitet sammenlignet med lineære regulatorer.

Vanlige topologier for skifteregulatorer inkluderer Buck (nedover), Boost (oppover), og andre, som støtter bred inngangsspenningsspann og er godt egnet for høyeffektsapplikasjoner eller miljøer med store inngangsspenningssvingninger.

Figur 2 gir en sammenligning mellom lineære og skifteregulatorer. Du kan velge riktig type basert på dine spesifikke behov: velg en lineær regulator når lav støy og kretsenkelhet er prioritert; velg en skifteregulator når høy effektivitet og høy effektlevering er nødvendig.

2.Serievoltageforsterkere

En serievoltageforsterker er plassert mellom strømkilden og belastningen, og fungerer som en nøyaktig "voltageforsterkningsvakt". Dens arbeidsprinsipp involverer dynamisk justering av motstand i en variabel motstand i respons til endringer i inngangsspenning eller utgangsstrøm, dermed vedlikeholder utgangsspenningen på et stabilisert, forhåndsinnstilt verdi.

I moderne elektronikkbransje bruker serieforsterker IC-er aktive enheter – som MOSFET-er eller bipolare junctiontransistorer (BJT) – for å elegant erstatte tradisjonelle variable motstander, noe som betydelig forbedrer forsterkerens ytelse og pålitelighet.

Kretskonfigurasjonen til en serievoltageforsterker er nøyaktig og godt strukturert, hovedsakelig består den av følgende fire kjernekomponenter:

● Utgåendetransistor: Denne er koblet i serie mellom inngangs- og utgangspinner til forsterkeren, og fungerer som en bro mellom strømkilden og belastningen. Når det oppstår fluktuerasjoner i inngangsspenning eller utgangsstrøm, kontrollerer signalet fra feilforsterkeren nøyaktig gatestrommen (for MOSFET-er) eller basisstrømmen (for BJT) til denne transistoren.

● Referansevoltagekilde: Denne fungerer som en stabil referanse for feilforsterkeren, og spiller en kritisk rolle. Feilforsterkeren støtter seg på denne faste referansen for å regulere gaten eller basen til utgåendetransistoren, dermed sikre en stabil utgangsspenning.

● Tilbakemeldingsmotstander: Disse motstandene deler utgangsspenningen for å generere en tilbakemeldingsspenning. Feilforsterkeren sammenligner denne tilbakemeldingsspenningen med referansevoltage for å oppnå nøyaktig utgangsregulering. De to tilbakemeldingsmotstandene er koblet i serie mellom VOUT- og GND-pinner, og spenningen i midten av dem sendes inn i feilforsterkeren.

● Feilforsterker: Denne fungerer som den "intelligente hjernen" i serieforsterkeren, og sammenligner nøyaktig tilbakemeldingsspenningen (altså spenningen i midten av tilbakemeldingsmotstandsdivisoren) med referansevoltage. Hvis tilbakemeldingsspenningen falt under referansevoltage, øker feilforsterkeren drivstyrken til MOSFET, reduserer dens drain-source-spenning, og dermed øker utgangsspenningen. Omvendt, hvis tilbakemeldingsspenningen overstiger referansevoltage, reduserer forsterkeren MOSFETs drivstyrke, øker drain-source-spenningen og senker utgangsspenningen i samsvar.

I denne artikkelen har vi utforsket arbeidsprinsippet, funksjonene og kretskonfigurasjonene til ulike typer voltageforsterkere mer i detalj. I neste del vil vi forklare de dynamiske reguleringsmekanismene til lineære forsterkere, og klargjøre forskjellene mellom tre-terminalforsterkere og LDO (Low Dropout)-forsterkere.