Razlike med linearnimi regulatorji switching regulatorji in serijni regulatorji
1. Linearni regulatorji vs. preklopniki
Linearni regulator potrebuje vhodno napetost, ki je višja od izhodne napetosti. Ravnateljstvo nad razliko med vhodno in izhodno napetostjo, znano tudi kot padec napetosti, doseže s spreminjanjem upornosti notranjega regulacijskega elementa (na primer tranzistorja).
Razmislite o linearnem regulatorju kot o natančnem "strokovnjaku za nadzor napetosti." Ko se sooči z prekomerno vhodno napetostjo, odločno "dejansko" "izseče" del, ki presega željeno ravni izhodne napetosti, tako da izhodna napetost ostane konstantna. Prekomerna napetost, ki je "odstranjena", se na koncu razprši v obliki toplote, kar zagotavlja stabilen izhod.
V smislu konfiguracije vezija uporablja tipični serijni linearni regulator napako širjenja, referenčno napetost in propustni tranzistor, da oblikuje zaprto zanko povratne zanke, ki nepretržno spremlja in pravilno popravlja izhodno napetost v realnem času.
Linearni regulatorji vključujejo predvsem regulatorje z tremi terminali in LDO (Low Dropout) regulatorje. Prvi uporabljajo tradicionalna arhitektura, ki zahteva relativno velika razlika med vhodno in izhodno napetostjo (običajno ≥2 V), kar pomeni nižjo učinkovitost, in so primerni za srednje- do visokoporočne aplikacije. Na drugi strani so LDO regulatorji optimizirani za minimalni padec napetosti (do 0,1 V), kar jih čini idealnimi za scenarije, kjer sta vhodna in izhodna napetost blizu - na primer v napravah z baterijskim zasilovanjem - čeprav je potrebno skrbno termalno oblikovanje.
Slika 1 prikazuje delovanje linearnih in preklopnih regulatorjev.
Preklopniki pa nadzorujejo čas vključevanja in izklopa močnih preklopnikov (na primer MOSFET-ov) za prilagajanje dolžine cikla prenosa energije. Vhodna napetost se nato pretvori v stabilno povprečno izhodno napetost preko shranjevanja in filtriranja z induktorji in kondenzatorji.
Njihova ključna značilnost je "rezanje" regulacija: vhodna napetost se reže na visoki frekvenci, in energija, poslana na izhod, se nadzira z prilagajanjem dolžine cikla preklopnika. Ta pristop doseže bistveno večjo učinkovitost v primerjavi z linearnimi regulatorji.
Pogoste topologije preklopnih regulatorjev vključujejo Buck (padec), Boost (dvig) in druge, ki podpirajo širok spekter vhodnih napetosti in so zelo primerne za visokomocne aplikacije ali okolja z velikimi fluktuacijami vhodne napetosti.
Slika 2 ponuja primerjava med linearnimi in preklopni regulatorji. Izberite ustrezno vrsto glede na vaše specifične potrebe: izberite linearni regulator, ko je prednost dana nizkemu šumu in enostavnosti vezija; izberite preklopni regulator, ko je potrebna visoka učinkovitost in visoka poraba moči.
| Lastnosti | Linearni regulator | Preklopniki regulator |
| Učinkovitost | Nizka (velika izguba ob veliki razliki v naponu) | Visoka (80%-95%) |
| Zahteva za odvajanje toplote | Potrebna hladilna plošča (toplota se neposredno odvaja) | Nizka (toplota se generira posredno zaradi izgub pri preklopu) |
| Šum | Čisto izhod, brez visokofrekvenčnega valovanja | Obstaja šum pri preklopu, potrebna optimizacija filtrov |
| Uporabni scenariji | Nizek-potrosniški, visoko-precizni napajalni viri (npr. senzorji) | Visok-potrosniški, širokokrožni vhodni napon (npr. napajalne module) |
2. Serijski regulatorji napetosti
Serijski regulator napetosti je postavljen med vir napetosti in opto, deluje kot natančen "ščitnik za regulacijo napetosti." Njegov način delovanja vključuje dinamično prilagajanje upora spremenljivega upornika v odziv na spremembe vhodne napetosti ali izhodnega toka, s tem pa ohranja izhodno napetost na stabilni, prednastavljeni vrednosti.
V sodobni elektronski tehnologiji serijski regulatorski čipi uporabljajo aktivne naprave, kot so MOSFET-i ali dvopolni preklapali (BJT), da z elegantnostjo nadomestijo tradicionalne spremenljive uporniki, kar znatno izboljša zmogljivost in zanesljivost regulatorja.
Struktura električnega vezja serijskega regulatorja napetosti je natančna in dobro strukturirana, glavno sestavljena iz naslednjih štirih ključnih komponent:
● Izlazni tranzistor: Povezan serijalno med vhodnimi in izlaznimi pinčki regulatorja, deluje kot most, ki povezuje zgornji vir napetosti in spodnjo opto. Ko se pojavijo nihanja v vhodni napetosti ali izhodnem toku, signal od napake natančno kontrolira vrata (za MOSFET-e) ali osnovni tok (za BJT-je) tega tranzistorja.
● Vir referenčne napetosti: Kot stabilna merila za napakovnik igra vir referenčne napetosti ključno vlogo. Napakovnik se na tem fiksiranem referenčnem merilu zanaša, da natančno regulira vrata ali osnovni tok izlaznega tranzistorja, s tem pa zagotavlja stabilno izhodno napetost.
● Uporniki povratne zanke: Ti uporniki delijo izhodno napetost, da bi ustvarili povratno napetost. Napakovnik primerja to povratno napetost z referenčno napetostjo, da doseže natančno regulacijo izhoda. Dva upornika povratne zanke sta povezana serijalno med VOUT in GND pinčkoma, in napetost v njunem sredinskem točki je vklopljena v napakovnik.
● Napakovnik: Deluje kot "inteligenten mozg" serijskega regulatorja, napakovnik natančno primerja povratno napetost (to je, napetost v sredini delitelja upornikov povratne zanke) z referenčno napetostjo. Če je povratna napetost nižja od referenčne napetosti, napakovnik poveča moč gonjenja na MOSFET, zmanjša njegovo napetost med izlivom in izvirom, s tem pa poviša izhodno napetost. Na obrat, če je povratna napetost višja od referenčne napetosti, napakovnik zmanjša moč gonjenja na MOSFET, poveča napetost med izlivom in izvirom in tako zniža izhodno napetost.
V tem članku smo še globlje raziskovali načine delovanja, funkcije in konfiguracije vezja nekaterih vrst regulatorjev napetosti. V naslednjem delu bomo razložili mehanizem dinamične regulacije linearnih regulatorjev in pojasnili razlike med trojniškimi regulatorji in LDO (Low Dropout) regulatorji.
