Різниця між лінійними регуляторами стабілізаторами і серійними регуляторами

1.Лінійні стабілізатори проти імпульсних стабілізаторів

Лінійний стабілізатор потребує входного напруги, яка вища за вихідну. Він обробляє різницю між входною та вихідною напругами — відому як напруга випадку — змінюючи опір свого внутрішнього регулюючого елемента (наприклад, транзистора).

Уявіть собі лінійний стабілізатор як точного "експерта з керування напругою". Потрапивши на надлишкову входну напругу, він рішуче "діє", "відсікаючи" частину, що перевищує бажаний рівень виходу, забезпечуючи постійну вихідну напругу. Надлишкова напруга, яка "відсікається", в кінцевому підсумку дисипується у вигляді тепла, підтримуючи стабільний вихід.

Щодо конфігурації схеми, типовий серійний лінійний стабілізатор використовує усилитель помилки, джерело референсної напруги та транзистор-пропускник для формування замкнутого системи зворотного зв'язку, який безперервно контролює та корегує вихідну напругу в режимі реального часу.

Лінійні стабілізатори включають трьохвузлові стабілізатори та LDO (Low Dropout) стабілізатори. Перші використовують традиційну архітектуру, яка потребує відносно великої різниці між входною та вихідною напругами (звичайно ≥2 V), що призводить до нижчої ефективності, і вони підходять для середньо- та високопотужних застосувань. Натомість, LDO стабілізатори оптимізовані для мінімальної напруги випадку (яка може бути так низькою, як 0,1 V), що робить їх ідеальними для ситуацій, де входна та вихідна напруги близькі — наприклад, в пристроях, що живляться від батарей, хоча потрібен обережний термічний дизайн.

Рисунок 1 ілюструє принципи роботи лінійних та імпульсних стабілізаторів.

З іншого боку, імпульсні стабілізатори контролюють час проводження та вимкнення силових ключів (наприклад, MOSFET) для регулювання коефіцієнта заповнення передачі енергії. Вхідна напруга потім перетворюється на стабільну середню вихідну напругу через зберігання та фільтрацію енергії індукторами та конденсаторами.

Їх основна характеристика — це "різальний" контроль: вхідна напруга розрізається на високій частоті, а енергія, яка подається на вихід, контролюється шляхом регулювання коефіцієнта заповнення ключів. Цей підхід забезпечує значно вищу ефективність порівняно з лінійними стабілізаторами.

Поширені топології імпульсних стабілізаторів включають Buck (пониження), Boost (підвищення) та інші, що підтримують широкий діапазон входних напруг, що робить їх добре підходящими для високопотужних застосувань або середовищ зі значними коливаннями входної напруги.

Рисунок 2 надає порівняння між лінійними та імпульсними стабілізаторами. Ви можете обрати відповідний тип в залежності від ваших конкретних потреб: оберіть лінійний стабілізатор, коли пріоритетні низький шум та простота схеми; оберіть імпульсний стабілізатор, коли потрібна висока ефективність та висока потужність.

2. Серійні стабілізатори напруги

Серійний стабілізатор напруги розташований між джерелом живлення та навантаженням, виконуючи роль точного "стражаря регулювання напруги". Його принцип роботи полягає у динамічному зміненні опору змінного резистора відповідно до змін входової напруги або вихідного струму, що забезпечує підтримку вихідної напруги на стабільному, передвстановленому значенні.

У сучасній електронній техніці, інтегральні схеми серійних стабілізаторів використовують активні прилади, такі як МОП-транзистори або біполярні транзистори (BJT), для елегантного заміщення традиційних змінних резисторів, значно підвищаючи продуктивність та надійність стабілізатора.

Конфігурація схеми серійного стабілізатора напруги є точна та добре структурована, головним чином складається з наступних чотирьох ключових компонентів:

● Вихідний транзистор: Підключений у серії між входом та виходом стабілізатора, він виконує роль моста, що з'єднує верхній джерело живлення та нижнє навантаження. Коли відбуваються коливання входової напруги або вихідного струму, сигнал від суміщувального підсилювача точно керує напругою затвора (для МОП-транзисторів) або струмом бази (для BJT) цього транзистора.

● Джерело референсної напруги: Служить стабільним еталоном для суміщувального підсилювача, джерело референсної напруги відіграє критичну роль. Суміщувальний підсилювач спирається на цей фіксований референс для точного регулювання затвора або бази вихідного транзистора, що забезпечує стабільну вихідну напругу.

● Зворотні резистори: Ці резистори ділять вихідну напругу, щоб створити напругу зворотного зв'язку. Суміщувальний підсилювач порівнює цю напругу зворотного зв'язку з референсною напругою для досягнення точного регулювання виходу. Два резистори зворотного зв'язку підключені в серії між VOUT та GND, а напруга в їхньому серединному точці подається на суміщувальний підсилювач.

● Суміщувальний підсилювач: Функціонуючи як "розумний мозок" серійного стабілізатора, суміщувальний підсилювач обережно порівнює напругу зворотного зв'язку (тобто напругу в серединній точці ділянки резисторів зворотного зв'язку) з референсною напругою. Якщо напруга зворотного зв'язку опускається нижче референсної напруги, суміщувальний підсилювач збільшує потужність приводу до МОП-транзистора, зменшуючи його напругу між стоком та дреном, що збільшує вихідну напругу. Навпаки, якщо напруга зворотного зв'язку перевищує референсну напругу, підсилювач зменшує потужність приводу до МОП-транзистора, збільшуючи напругу між стоком та дреном, що зменшує вихідну напругу відповідно.

У цій статті ми глибше дослідили принципи роботи, функції та конфігурації схем різних типів стабілізаторів напруги. У наступній частині ми пояснимо механізм динамічного регулювання лінійних стабілізаторів та прояснімо відмінності між три-термінальними стабілізаторами та LDO (Low Dropout) стабілізаторами.