Różnice między liniowymi regulatorami zasilania regulatorami przestawczymi i szeregowymi regulatorami

1. Regulatory liniowe vs. regulatory przestawne

Regulator liniowy wymaga napięcia wejściowego wyższego niż napięcie wyjściowe. Obsługuje różnicę między napięciem wejściowym a wyjściowym, znaną jako napięcie dropout, zmieniając impedancję swojego wewnętrznego elementu regulacyjnego (np. tranzystora).

Wyobraź sobie regulator liniowy jako precyzyjnego „eksperta do kontroli napięcia”. Gdy napotka nadmiernie wysokie napięcie wejściowe, decydująco „działa” przez „odcięcie” części przekraczającej pożądany poziom napięcia wyjściowego, zapewniając stałe napięcie wyjściowe. Nadmiar napięcia, który jest „obcinany”, ostatecznie rozprasza się w postaci ciepła, utrzymując stabilne napięcie wyjściowe.

W kwestii konfiguracji obwodowej typowy szeregowy regulator liniowy używa wzmacniacza błędu, źródła napięcia odniesienia i tranzystora przepustowego, aby stworzyć zamknięty system sprzężenia zwrotnego, który ciągle monitoruje i koryguje napięcie wyjściowe w czasie rzeczywistym.

Regulatory liniowe obejmują głównie trójterminalne regulatory i regulatory LDO (Low Dropout). Pierwsze używają tradycyjnej architektury, która wymaga stosunkowo dużej różnicy napięcia między wejściem a wyjściem (zazwyczaj ≥2 V), co prowadzi do niższej wydajności, i są odpowiednie dla aplikacji średnio- i wysokoprzetwarzalnych. Z drugiej strony, regulatory LDO są zoptymalizowane pod kątem minimalnego napięcia dropout (aż do 0.1 V), co czyni je idealnym rozwiązaniem w scenariuszach, gdzie napięcia wejściowe i wyjściowe są bliskie, takich jak urządzenia zasilane bateriami, choć wymagana jest staranna projektowanie termiczne.

Rysunek 1 ilustruje zasady działania regulatorów liniowych i przestawnych.

Regulatory przestawne, z drugiej strony, kontrolują czas przewodzenia i wyłączania przełączników mocy (np. MOSFET) w celu dostosowania cyklu pracy przesyłania energii. Następnie napięcie wejściowe jest przekształcane w stabilne średnie napięcie wyjściowe za pomocą magazynowania i filtrowania energii przez cewki i kondensatory.

Ich kluczową cechą jest regulacja „typu chopper”: napięcie wejściowe jest krojone z wysoką częstotliwością, a energia dostarczana do wyjścia jest kontrolowana poprzez dostosowanie cyklu pracy przełącznika. Ta metoda osiąga znacznie wyższą wydajność w porównaniu do regulatorów liniowych.

Powszechne topologie regulatorów przestawnych to Buck (step-down), Boost (step-up) i inne, wspierające szerokie zakresy napięć wejściowych, co czyni je dobrze przystosowanymi do aplikacji wysokoprzetwarzalnych lub środowisk, gdzie występują znaczne fluktuacje napięcia wejściowego.

Rysunek 2 przedstawia porównanie regulatorów liniowych i przestawnych. Możesz wybrać odpowiedni typ w zależności od swoich specyficznych potrzeb: wybierz regulator liniowy, gdy priorytetem jest niska szum i prosta konstrukcja obwodu; wybierz regulator przestawny, gdy wymagana jest wysoka wydajność i wysoka moc.

2. Seriowe regulatory napięcia

Seryjny regulator napięcia znajduje się między źródłem zasilania a obciążeniem, działając jak precyzyjny „strażnik regulacji napięcia”. Jego zasada działania polega na dynamicznym dostosowywaniu oporu zmiennego rezystora w odpowiedzi na zmiany napięcia wejściowego lub prądu wyjściowego, co pozwala utrzymać napięcie wyjściowe na stabilnej, uprzednio ustawionej wartości.

W nowoczesnej technologii elektronicznej seryjne układy scalone (IC) regulacji napięcia używają aktywnych elementów, takich jak MOSFET-y lub tranzystory bipolarno-polaczeniowe (BJT), aby elegancko zastąpić tradycyjne zmiennoprzecinkowe rezystory, znacznie podnosząc wydajność i niezawodność regulatora.

Konfiguracja obwodu seryjnego regulatora napięcia jest precyzyjna i dobrze zorganizowana, składając się głównie z następujących czterech kluczowych komponentów:

● Tranzystor wyjściowy: Połączony szeregowo między pinami wejściowymi i wyjściowymi regulatora, działa jak most łączący źródło zasilania z przodu i obciążenie z tyłu. Gdy wystąpią fluktuacje napięcia wejściowego lub prądu wyjściowego, sygnał z wzmacniacza błędu dokładnie kontroluje napięcie bramki (dla MOSFET-ów) lub prąd bazowy (dla BJT) tego tranzystora.

● Źródło napięcia odniesienia: Działające jako stabilny punkt odniesienia dla wzmacniacza błędu, źródło napięcia odniesienia odgrywa kluczową rolę. Wzmacniacz błędu polega na tym stałym odniesieniu, aby dokładnie regulować bramkę lub baza tranzystora wyjściowego, zapewniając stabilne napięcie wyjściowe.

● Rezystory sprzężenia zwrotnego: Te rezystory dzielą napięcie wyjściowe, generując napięcie sprzężenia zwrotnego. Wzmacniacz błędu porównuje to napięcie sprzężenia zwrotnego z napięciem odniesienia, aby osiągnąć precyzyjną regulację wyjścia. Dwa rezystory sprzężenia zwrotnego są połączone szeregowo między pinami VOUT i GND, a napięcie w ich środku jest podawane do wzmacniacza błędu.

● Wzmacniacz błędu: Funkcjonujący jako „inteligentny mózg” seryjnego regulatora, wzmacniacz błędu starannie porównuje napięcie sprzężenia zwrotnego (czyli napięcie w środku podziału rezystorów sprzężenia zwrotnego) z napięciem odniesienia. Jeśli napięcie sprzężenia zwrotnego spadnie poniżej napięcia odniesienia, wzmacniacz błędu zwiększa siłę napędową do MOSFET-a, obniżając jego napięcie dren-bramka, co powoduje podwyższenie napięcia wyjściowego. Z kolei, jeśli napięcie sprzężenia zwrotnego przekroczy napięcie odniesienia, wzmacniacz redukuje siłę napędową do MOSFET-a, zwiększając napięcie dren-bramka i obniżając napięcie wyjściowe odpowiednio.

W tym artykule bardziej szczegółowo przeanalizowaliśmy zasady działania, funkcje oraz konfiguracje obwodów różnych typów regulatorów napięcia. W kolejnym odcinku wyjaśnimy mechanizm dynamicznej regulacji liniowych regulatorów oraz wyjaśnimy różnice między trójterminalnymi regulatorami a regulatorami LDO (Low Dropout).