Skillnader mellan linjära regulatorer schaltregulatorer och serie-regulatorer

1. Linjära regulatorer vs. växlingsregulatorer

En linjär regulator kräver en inmatningsvoltage som är högre än dess utmatningsvoltage. Den hanterar skillnaden mellan in- och utmatningsvoltage—känd som dropout-voltage—genom att variera impedansen i sitt inbyggda reglerande element (till exempel en transistor).

Tänk på en linjär regulator som en precis ”voltagekontroll expert.” När den står inför förhöjd inmatningsvoltage agerar den beslutsamt genom att ”avskära” den del som överstiger den önskade utmatningsnivån, vilket säkerställer att utmatningsvoltage förblir konstant. Den överflödiga voltage som ”avskärs” avleds till slutet som värme, vilket upprätthåller en stabil utmatning.

I termer av kretsutformning använder en typisk serie-linjär regulator en felförstärkare, en referensvoltagekälla och en pass-transistor för att forma ett slutna-loop feedback-system som kontinuerligt övervakar och korrigera utmatningsvoltage i realtid.

Linjära regulatorer inkluderar huvudsakligen trepoliga regulatorer och LDO (Low Dropout) regulatorer. Den förra använder en traditionell arkitektur som kräver en relativt stor in-ut voltage-differens (typiskt ≥2 V), vilket resulterar i lägre effektivitet, och är lämplig för medelhög effektapplikationer. I motsats till detta är LDO-regulatorer optimerade för minimal dropout-voltage (ner till 0,1 V), vilket gör dem idealiska för scenarion där in- och utmatningsvoltage är nära—som i batteridrivna enheter—men noggrann termisk design krävs.

Figur 1 illustrerar de operativa principerna för linjära och växlingsregulatorer.

Växlingsregulatorer, å andra sidan, kontrollerar lednings- och avstängningstidpunkten för strömavbrytare (till exempel MOSFET:er) för att justera energioverföringens tidsandel. Inmatningsvoltage omvandlas sedan till en stabil genomsnittlig utmatningsvoltage genom energilagring och filtrering av spolar och kondensatorer.

Deras kärnkarakteristik är ”hackar-stil” reglering: inmatningsvoltage hackas vid hög frekvens, och energin som levereras till utmatningen kontrolleras genom att justera avbrytarens tidsandel. Denna metod uppnår betydligt högre effektivitet jämfört med linjära regulatorer.

Vanliga topologier för växlingsregulatorer inkluderar Buck (nedsteg), Boost (uppsteg) och andra, vilka stöder breda inmatningsvoltage-intervall och är väl lämpade för högeffektsapplikationer eller miljöer med stora inmatningsvoltage-fluktuationer.

Figur 2 ger en jämförelse mellan linjära och växlingsregulatorer. Du kan välja den lämpliga typen baserat på dina specifika behov: välj en linjär regulator när låg brus och kretsenkelhet prioriteras; välj en växlingsregulator när hög effektivitet och hög effektleverans krävs.

2. Serieregulatorer

En serieregulator placeras mellan strömkällan och belastningen, fungerar som en exakt "spänningsreglerande vakt." Dess funktionsprincip innefattar dynamisk justering av resistansen i en variabel resistor i respons på förändringar i ingångsspänning eller utgångsström, vilket upprätthåller utgångsspänningen vid en stabil, förinställd nivå.

I modern elektronikteknik använder serieregulator-IC aktiv komponenter - som MOSFET:er eller bipolära transistorer (BJT) - för att elegant ersätta traditionella variabla resistorer, vilket betydligt förbättrar reglernas prestanda och tillförlitlighet.

Kretskonfigurationen för en serieregulator är precist och välstrukturerad, består huvudsakligen av följande fyra kärnkomponenter:

● Utgångstransistor: Ansluten i serie mellan ingångs- och utgångsstift på reglern, fungerar den som en bro mellan strömkällan ovanför och belastningen nedanför. När det uppstår fluktuationer i ingångsspänningen eller utgångsströmmen kontrollerar signalen från felförstärkaren precis gate-spänningen (för MOSFET:er) eller basströmmen (för BJT) för denna transistor.

● Referensspänningskälla: Som en stabil referenspunkt för felförstärkaren spelar referensspänningskällan en kritisk roll. Felförstärkaren använder denna fixa referens för att noggrant reglera gaten eller basen för utgångstransistor, vilket garanterar en stabil utgångsspänning.

● Feedbackresistorer: Dessa resistorer delar utgångsspänningen för att generera en feedbackspänning. Felförstärkaren jämför denna feedbackspänning med referensspänningen för att uppnå exakt utgångsreglering. De två feedbackresistorerna är anslutna i serie mellan VOUT- och GND-stiften, och spänningen vid deras mittpunkt matas in i felförstärkaren.

● Felförstärkare: Fungerar som den "intelligenta hjärnan" i serieregulatören, jämför felförstärkaren noggrant feedbackspänningen (dvs. spänningen vid mittpunkten av feedbackresistor-delaren) med referensspänningen. Om feedbackspänningen faller under referensspänningen ökar felförstärkaren drivkraften till MOSFET:en, minskar dess drain-källspänning och därmed höjer utgångsspänningen. Om å andra sidan feedbackspänningen överstiger referensspänningen minskar förstärkaren drivkraften till MOSFET:en, ökar dess drain-källspänning och sänker utgångsspänningen därefter.

I denna artikel har vi ytterligare utforskat arbetsprinciper, funktioner och kretskonfigurationer för olika typer av spänningsregulatorer. I nästa del kommer vi att förklara de dynamiska regleringsmekanismerna hos linjära regulatorer och klargöra skillnaderna mellan trepoliga regulatorer och LDO (Low Dropout)-regulatorer.