• Регуляторы напряжения серии
• Шунтирующие регуляторы напряжения

Серийные регуляторы напряжения

В этом регуляторе управляющий элемент соединен последовательно с нагрузкой. Изменяя сопротивление последовательного элемента, можно изменить падение напряжения на нем. Выходное напряжение нагрузки остается постоянным в зависимости от компаратора и контроллера.

В последовательных регуляторах напряжения ток не отводится от нагрузки, поэтому они более эффективны, чем шунтирующие регуляторы напряжения. Чтобы подробно понять работу последовательного регулятора, рассмотрим два случая:

Случай 1: если выходное напряжение увеличивается

В этом случае схема компаратора подает управляющий сигнал на элемент последовательного управления, чтобы уменьшить их величину выходного напряжения, тем самым поддерживая фиксированное выходное напряжение.

Случай 2: Если выходное напряжение уменьшается

В этом случае схема компаратора подает управляющий сигнал на последовательный управляющий элемент для увеличения их величины выходного напряжения, снова поддерживая фиксированное выходное напряжение.

Шунтирующие регуляторы напряжения

Шунтирующее напряжение состоит из переменного сопротивления, которое обеспечивает путь тока от источника питания к земле. Поскольку часть тока отводится от нагрузки, он менее эффективен, чем последовательный стабилизатор. На рисунке ниже показан шунтирующий регулятор напряжения, который содержит управляющий элемент, компаратор и схему выборки.

Если выходное напряжение имеет тенденцию изменяться из-за изменения нагрузки, то схема дискретизации подает сигнал обратной связи на схему компаратора. Таким образом, компаратор выдает управляющий сигнал для изменения величины тока, отведенного от нагрузки. Следовательно, он регулирует выходное напряжение.

Преимущества линейного регулятора напряжения

Линейный регулятор напряжения имеет следующие преимущества:

• Они имеют простую конструкцию.
• Линейные регуляторы напряжения имеют малое время отклика, т. е. быстро реагируют на изменение напряжения нагрузки.
• Выходное напряжение содержит меньше пульсаций.
• Имеют лучший коэффициент шумоподавления, т.е. низкие электромагнитные помехи и меньший шум

Недостатки линейного регулятора напряжения

• Их эффективность низкая.
• Несмотря на простоту конструкции, они занимают много места.
• Выходное напряжение не может быть увеличено выше номинального напряжения, т. е. возможен только понижающий (понижающий) режим.
• Иногда требуется радиатор из-за значительного тепловыделения.
• Экономичны по сравнению с импульсными регуляторами напряжения.

Импульсный регулятор напряжения

Когда транзистор переключается между состоянием отсечки и состоянием насыщения, регулятор называется импульсным регулятором напряжения.

Этот регулятор также имеет механизм обратной связи для управления количеством заряда, передаваемого на нагрузку. Он устанавливается как рабочий цикл переключателя, который регулирует выходное напряжение на постоянном уровне. На рисунке ниже транзистор действует как переключающий элемент, который подключает и отключает входную мощность от нагрузки. Это может быть BJT или MOSFET, и он будет работать в области насыщения или отсечки.

Импульсные регуляторы эффективны, поскольку мощность не рассеивается, поскольку последовательный элемент либо полностью проводит ток, либо отключен. Импульсные стабилизаторы могут генерировать более высокое выходное напряжение, чем входное напряжение, или напряжение противоположной полярности.

Типы импульсных регуляторов напряжения (в зависимости от схемы)

На основе схемы можно разделить импульсные регуляторы напряжения на два типа:

• Неизолированные преобразователи
• Изолированные преобразователи

Неизолированные преобразователи можно разделить на три типа:

• Понижающий регулятор напряжения (понижающий преобразователь)
• Повышающий регулятор напряжения (повышающий преобразователь)
• Понижающий/повышающий преобразователь

Преобразователи можно разделить на два типа:

• Преобразователи обратного хода
• Преобразователи прямого хода

Преимущества импульсных регуляторов напряжения

• Их эффективность очень высока.
• Размер и вес преобразователя очень малы.
• Возможна работа в режиме повышения или понижения, инвертирования или понижения/повышания
• Они выделяют меньше тепла по сравнению с линейными регуляторами напряжения.

Недостатки импульсных регуляторов напряжения

• Время восстановления переходного процесса больше.
• Уровень шума выше.
• Более дорогие по сравнению с линейными регуляторами напряжения.
• Имеют сложную конструкцию, т.е. требуется больше внешних деталей.

Применение регуляторов напряжения

Регуляторы напряжения используются в большинстве электрических и электронных устройств. Некоторые из них перечислены ниже:

• Мобильное зарядное устройство: Входной сигнал переменного тока подается на адаптер, тогда как на выходе вырабатывается регулируемый сигнал постоянного тока.
• В телевизорах, компьютерах и других электронных устройствах для получения желаемого выходного напряжения используется регулятор напряжения.
•   Микросхемы и другие небольшие электронные схемы: Для защиты от повреждений из-за малейшего колебания сигнала напряжения.
• Система выработки электроэнергии: В ветряных мельницах электроэнергия вырабатывается в зависимости от скорости ветра. Итак, регулятор необходим для формирования постоянного выходного сигнала.

Интегральные схемы (ИС) регулятора напряжения

Регулятор мощности — это блок питания электронного устройства, преобразующий поступающую мощность в требуемый тип (AC-DC или DC-DC) и требуемые характеристики напряжения/тока. Регулятор напряжения — это компонент блока питания, который обеспечивает стабильное постоянное напряжение в любых условиях эксплуатации. Он регулирует напряжение при колебаниях мощности и изменениях нагрузки. Он может регулировать как переменное, так и постоянное напряжение.

Регуляторы напряжения

Все электронные устройства предназначены для работы с заранее установленной номинальной мощностью, то есть напряжением и током. В то время как потребление тока является динамическим и зависит от нагрузки устройства, напряжение питания является идеально постоянным для правильного функционирования устройства. Регулятор напряжения отвечает за поддержание идеального напряжения, необходимого для устройства. Ваш ноутбук, настенная зарядка и кофеварка имеют регуляторы напряжения.

Регулятор напряжения обычно принимает более высокое входное напряжение и выдает более низкое и более стабильное выходное напряжение. Их вторичное использование также заключается в защите схемы от скачков напряжения, которые потенциально могут их повредить/поджарить.

В зависимости от физической конструкции стабилизаторы напряжения можно увидеть в интегральных схемах, электромеханических устройствах или полупроводниковых автоматических регуляторах. Наиболее распространенными классификациями активных стабилизаторов напряжения (в которых используются усилительные компоненты, такие как транзисторы или операционные усилители) являются линейные и импульсные стабилизаторы.

• Линейные регуляторы : В линейном регуляторе напряжения используется активное проходное устройство (например, BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейные регуляторы регулируют сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сводя ошибку к нулю. Линейные регуляторы представляют собой понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих стабилизаторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны, имеют низкий уровень шума и пульсации выходного напряжения.

• Импульсные регуляторы : Схема импульсного регулятора, как правило, более сложна в проектировании, чем линейный регулятор, и требует выбора значений внешних компонентов, настройки контуров управления для обеспечения стабильности и тщательного проектирования компоновки. Импульсные регуляторы могут быть понижающими преобразователями, повышающими преобразователями или их комбинацией, что делает их более универсальными, чем линейный регулятор. Преимущества импульсных стабилизаторов заключаются в том, что они высокоэффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокий ток и более широкий диапазон V _{в приложениях} /V _из . Они могут достигать эффективности более 95% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных стабилизаторов, импульсная система питания может потребовать дополнительных внешних компонентов, таких как катушки индуктивности, конденсаторы, ПЭП или резисторы обратной связи.

Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, поскольку в некоторых случаях они рассеивают большое количество энергии. Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при выходном напряжении 5 В и 3 В падение между выводами составляет 2 В, а КПД ограничен 3 В/5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низким V _в /V _из дифференциалов.

Важно учитывать предполагаемое рассеивание мощности линейных стабилизаторов при применении, поскольку использование более высокого входного напряжения приводит к высокому рассеиванию мощности, что может привести к перегреву и повреждению компонентов.

Другим ограничением линейных регуляторов напряжения является то, что они способны только к понижающему (понижающему) преобразованию, в отличие от импульсных стабилизаторов, которые также обеспечивают повышающее (повышающее) и повышающе-понижающее преобразование.

Импульсные стабилизаторы очень эффективны, но некоторые недостатки включают то, что они, как правило, менее рентабельны, чем линейные регуляторы, больше по размеру, более сложны и могут создавать больше шума, если их внешние компоненты не выбраны тщательно. Шум может быть очень важен для данного приложения, так как шум может влиять на работу и характеристики схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.

Существуют различные топологии для линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто работают в топологиях с малым падением напряжения (LDO). Импульсные стабилизаторы бывают трех распространенных топологий: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и повышающе-понижающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:

• Регуляторы LDO : Одной из популярных топологий для линейных регуляторов является регулятор с малым падением напряжения (LDO). Линейные стабилизаторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Однако регулятор LDO предназначен для работы с очень небольшой разницей напряжений между входными и выходными клеммами, иногда всего 100 мВ.
• Понижающие и повышающие преобразователи : Понижающие преобразователи (также называемые понижающими преобразователями) потребляют более высокое входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) потребляют более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.
• Понижающе-повышающие преобразователи : Понижающе-повышающий преобразователь представляет собой одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выходного напряжения в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного Напряжение.

Четыре основных компонента линейного регулятора — проходной транзистор, усилитель ошибки, источник опорного напряжения и резисторная цепь обратной связи. Один из входов усилителя ошибки устанавливается двумя резисторами (R1 и R2) для контроля выходного напряжения в процентах. Другой вход представляет собой стабильное опорное напряжение (V _REF ). Если измеряемое выходное напряжение изменяется относительно V _REF , усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (V _OUT ). Для работы линейных регуляторов обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их реализацию.

С другой стороны, импульсный регулятор требует больше компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между V _IN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход. Подобно линейному регулятору, имеется операционный усилитель, который считывает выходное напряжение постоянного тока из сети обратной связи и сравнивает его с внутренним опорным напряжением. Затем сигнал ошибки усиливается, компенсируется и фильтруется. Этот сигнал используется для модуляции рабочего цикла ШИМ, чтобы перевести выход в режим регулирования. Например, если ток нагрузки быстро увеличивается и вызывает падение выходного напряжения, контур управления увеличивает рабочий цикл ШИМ, чтобы обеспечить больший заряд нагрузки и вернуть шину в режим регулирования.

Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые чувствительны к затратам, шумам, малым токам или занимают мало места. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую ​​как наушники, носимые устройства и устройства IoT. Например, в таких приложениях, как слух, можно использовать линейный регулятор, поскольку они не имеют переключающего элемента, который может создавать нежелательные шумы и мешать работе устройства.

Кроме того, если разработчики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно так беспокоиться о рассеиваемой мощности, и они могут положиться на линейный регулятор.

Импульсные регуляторы выгодны для более общих применений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения. Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подойдет импульсный регулятор, так как линейный регулятор может создавать рассеивание высокой мощности, которое может повредить другие электрические компоненты.

Некоторые из основных параметров, которые следует учитывать при использовании регулятора напряжения, — это входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток. Эти параметры используются для определения того, какая технология VR совместима с ИС пользователя.

Другие параметры, включая ток покоя, частоту коммутации, тепловое сопротивление и напряжение обратной связи, могут иметь значение в зависимости от применения.

Ток покоя важен, когда эффективность в режиме малой нагрузки или в режиме ожидания является приоритетом. При рассмотрении частоты коммутации в качестве параметра максимизация частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.

Кроме того, тепловое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и рассеивания его по системе. Если в состав контроллера входит внутренний МОП-транзистор, то все потери (кондуктивные и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.

Напряжение обратной связи — еще один важный параметр, который необходимо проверить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Стандартно смотреть на опорные параметры напряжения. Это ограничивает более низкое выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного сигнала.