Различия между линейными регуляторами коммутационными регуляторами и последовательными регуляторами

1. Линейные стабилизаторы против импульсных стабилизаторов

Линейный стабилизатор требует входного напряжения, превышающего его выходное напряжение. Разница между входным и выходным напряжениями — так называемое падение напряжения — компенсируется путем изменения импеданса внутреннего регулирующего элемента (например, транзистора).

Представьте линейный стабилизатор в виде точного «эксперта по регулированию напряжения». При наличии избыточного входного напряжения он решительно «действует», «отсекая» часть, превышающую желаемый уровень выходного напряжения, обеспечивая постоянство выходного напряжения. Избыточное напряжение, которое «удаляется», в конечном итоге рассеивается в виде тепла, поддерживая стабильный выход.

С точки зрения схемотехники, типичный последовательный линейный стабилизатор использует усилитель ошибки, источник опорного напряжения и проходной транзистор для формирования замкнутой системы обратной связи, которая непрерывно отслеживает и корректирует выходное напряжение в реальном времени.

Линейные стабилизаторы в основном включают трехвыводные стабилизаторы и LDO (Low Dropout) стабилизаторы. Первые используют традиционную архитектуру и требуют относительно большого перепада между входным и выходным напряжением (обычно ≥2 В), что приводит к более низкому КПД и делает их пригодными для средних и высоких мощностей. Напротив, LDO-стабилизаторы оптимизированы для минимального падения напряжения (до 0,1 В), что делает их идеальными для случаев, когда входное и выходное напряжения близки — например, в устройствах на батарейном питании, — хотя требуется тщательное тепловое проектирование.

На рисунке 1 показаны принципы работы линейных и импульсных стабилизаторов.

Импульсные стабилизаторы, с другой стороны, управляют временем включения и выключения силовых ключей (например, MOSFET) для регулирования рабочего цикла передачи энергии. Затем входное напряжение преобразуется в стабильное среднее выходное напряжение за счет накопления энергии и фильтрации с помощью катушек индуктивности и конденсаторов.

Их основная характеристика — это «широкополосное» регулирование: входное напряжение высокочастотно «нарезается», а энергия, подаваемая на выход, регулируется путем изменения рабочего цикла ключа. Такой подход обеспечивает значительно более высокий КПД по сравнению с линейными стабилизаторами.

Распространённые топологии импульсных стабилизаторов включают понижающие (Buck), повышающие (Boost) и другие, поддерживающие широкий диапазон входных напряжений, что делает их хорошо подходящими для высокомощных применений или условий с существенными колебаниями входного напряжения.

На рисунке 2 приведено сравнение линейных и импульсных стабилизаторов. Вы можете выбрать соответствующий тип в зависимости от ваших конкретных потребностей: выбирайте линейный стабилизатор, если приоритетом являются низкий уровень шума и простота схемы; выбирайте импульсный стабилизатор, если требуются высокий КПД и высокая выходная мощность.

2. Последовательные стабилизаторы напряжения

Последовательный стабилизатор напряжения устанавливается между источником питания и нагрузкой и действует как точный «страж регулирования напряжения». Его принцип работы заключается в динамическом изменении сопротивления переменного резистора в ответ на изменения входного напряжения или выходного тока, тем самым поддерживая выходное напряжение на стабильном, заданном уровне.

В современных электронных технологиях интегральные схемы последовательных стабилизаторов используют активные приборы — такие как полевые МОП-транзисторы или биполярные транзисторы с p-n переходами (БТ) — для элегантной замены традиционных переменных резисторов, значительно повышая производительность и надежность стабилизатора.

Схема последовательного стабилизатора напряжения отличается высокой точностью и четкой структурой, в основном состоящей из следующих четырех основных компонентов:

● Выходной транзистор: Подключен последовательно между входным и выходным выводами стабилизатора, действует как мост, соединяющий источник питания сверху и нагрузку снизу. При колебаниях входного напряжения или выходного тока сигнал от усилителя ошибки точно управляет напряжением затвора (для МОП-транзисторов) или током базы (для БТ) этого транзистора.

● Источник опорного напряжения: Служит стабильным эталоном для усилителя ошибки и играет ключевую роль. Усилитель ошибки полагается на это фиксированное опорное значение, чтобы точно регулировать затвор или базу выходного транзистора, обеспечивая тем самым стабильное выходное напряжение.

● Резисторы обратной связи: Эти резисторы делят выходное напряжение для формирования напряжения обратной связи. Усилитель ошибки сравнивает это напряжение обратной связи с опорным напряжением для достижения точной регулировки выхода. Два резистора обратной связи соединены последовательно между выводами VOUT и GND, а напряжение в их средней точке подаётся на усилитель ошибки.

● Усилитель ошибки: Выполняя функцию «интеллектуального мозга» последовательного стабилизатора, усилитель ошибки тщательно сравнивает напряжение обратной связи (то есть напряжение в средней точке делителя резисторов обратной связи) с опорным напряжением. Если напряжение обратной связи ниже опорного, усилитель ошибки увеличивает уровень управления МОП-транзистором, снижая его напряжение сток-исток и, соответственно, повышая выходное напряжение. Напротив, если напряжение обратной связи превышает опорное, усилитель уменьшает уровень управления МОП-транзистором, увеличивая напряжение сток-исток и понижая выходное напряжение.

В данной статье мы подробнее рассмотрели принципы работы, функции и схемы различных типов стабилизаторов напряжения. В следующей части мы объясним динамический механизм регулирования линейных стабилизаторов и разъясним различия между трехвыводными стабилизаторами и LDO (малопадовыми) стабилизаторами.