Ivanknezevic

Uvod

LDO stabilizatori nude visoke performance uz niske potrošnje baterije. Obično se koriste impulsni regulatori i regulatora sa kontinuiranom regulacijom (linearni). Impulsni regulatori moraju biti pojačani ili smanjeni. Oni nude visoku efikasnost, ali isto tako nastupaju smetnje na izlazu sa impulsniom učestanošću, i iz tog razloga, manje su pogodna za napajanje osjetljivih kola na impulsne sklopove (kristalni oscilator, itd.). Linijski regulatori su uvijek radili uz mali napon i podijeljeni na obične stabilizatore i stabilizatore s malim gubicima (LDO). Obični regulatori imaju nisku efikasnost zbog gubitaka u pass (regulatornom-kontrolnom) elementu, te se rijetko koriste u baterijama za napajenje. Projekat LDO stabilizatora se razvio odavno i dobro je poznat. LDO regulatori razlikuju se po vrsti provodnih elemenata, strukture kristala, koji ozbiljno utiču na njihove osnovne parametre. Iz tog razloga, izbor LDO-a za baterije za napajanje – nije trivijalan zadatak. LDO regulatori – to su linijski regulatori sa minimalnim padom napona u regulatornim elementima sa maksimalnom efikasnošću. Do danas ne postoji jasna razlika između LDO i običnnih stabilizatora. Uz pretpostavku pada napona, stabilizatori sa izlaznom strujom do 10 A uslovna granica između dvije grupe mogla biti održana na 500 mV, tj. stabilizator sa naponom na regulatornim elementima sa više od 500 mV - više nije LDO regulator. Za obične linearne stabilizirajuće vrijednosti pad napona na pass elementu obično prelazi 1,5 V.

LDO stabilizatori i njihovi glavni parametri

Tipičan model LDO stabilizator je predstavljen je na slici 1. Stabilizator se sastoji od četiri glavna elementa: Voltage Reference(ION) , provodni element, OP (operacioni pojačavač) i rezistivni djeljioci.

Provodni elementi (PE)

Postoji pet vrsta provodnih elemenata. Ključna komponenta bilo kog stabilizatora, na mnoge načine definiše svoje parametre, stabilizatori su obično podijeljeni u grupe zavisno od vrste PE. U praksi, najčešće korišteni tipovi provodnih pet elemenata su (slika 2.)

Da bi se osiguralo glatko funkcioniranje stabilizatora sa PE šeme Darlingtonovog spoj (slika 2a), razlika u napon na ulaz i izlaz treba biti najmanje 1,6 V, dok je za LDO-ovu vrijednost ne smije prelaziti 500 mV.

$V_{\mathrm {DO} }=V_{\mathrm {0SAT} }+2V_{BE}=1,6\cdots 2,6V$

Za spoj NPN PE (slika 2b) napon-baze NPN tranzistora mora uvijek biti veći nego na odašiljaču. U velikim granicama ulaznih i izlaznih napona nije problem. Međutim, kada je vrijednost ulaznih i izlaznih napona povećava, napon je razlika između minimalne vrijednosti, i mora biti najmanje 0,9 V.

$V_{\mathrm {DO} }=V_{\mathrm {CESAT} }+V_{\mathrm {BE} }>=0,9V\!\$

Vazna prednost stabilizatora sa PNP tranzistorom (slika 2c) – minimalni pad napona u poređenju sa bilo kojom drugom semom.

$V_{\mathrm {DO} }=V_{\mathrm {CESAT} }=200\cdots 400mV$

Ako koristite tranzistor sa visokim pojačanjem, moze se smanjiti napon od 150 mV do 100 mV. Međutim, u takvim semama kroz opterećenja teče nulta struja baze, i dio je statička struja, nenametljiva efikasnost stabilizatora.

$I_{\mathrm {q} }=I_{\mathrm {drv} }+I_{\mathrm {bias} }=0,8\cdots 2,6mA$

Stabilizator sa p-kanalnim MOSFET-ovima (slika 2d) imaju minimalni pad nopona između svih PE, vrijednost koja će zavisiti od otpornosti tranzistora, i dolazi do opterećenja od:

$V_{\mathrm {DO} }=I_{\mathrm {0} }R_{\mathrm {ON} }=35\cdots 350mV$

Stabilizatori za skup n-kanalnih MOSFET-ova (slika 2d) osiguravaju minimalni pad napona, ali njihov normalan pad zahtjeva dodatni izvor odstupanja, koja se obično izvodi na prekidačkom kondezatoru. Stabilizatori sa tranzistorima p-tipa (PNP i p-MOSFET) imaju najbolje karakteristike pada napona, ali ugavnom osjetljive parametre izlaza kondezatora (outlet condenser). Stabilizatori sa tranzistorima n-tipa (NPN i n-MOSFET i n-DMOS) su vrlo otporni, mogu raditi sa bilo kojim kondezatorom na izlazu, ali npn stabilizatori imaju nepoželjan pad napona, dok n-MOSFET zahtijeva dodatni mjenjanje provodnih transistora. Obično to povećanje DC/DC konvertuje prespajanje kondezatora. Osim komplikovane šeme, stvara se dodatni izvor šuma prebacivanjem na izlaz stabilizatora. Danas je većina LDO regulatora široko primjenjuje s jednim p-MOS elemenatom.

Osnovni parametri LDO stabilizatora

Kao osnovni parametar LDO stabilizatora uzećemo n-MOS element. U praksi, se ovaj stabilizator rijetko koristi ali njegova šema je pogodna za analizu.

Pad napona (Voltage drop ION)

Minimalni razlika u naponu na ulazu i izlazu, gdje je drugi mogući režim stabilizacije. Ulazni napon linijskog regulatora, u kontrastu sa većim pulsom uvijek visi izlaz. Slika 3. prikazuje izlazne karakteristike stabilizatora sa n-MOS elementom. Grafikon (Slika 3.) su u tri područja - područje zasićenja, u kojem je jedinica djeluje kao izvor struje, aktivni režim, gdje tranzistor ponaša kao otpornik napona i zakočenje.

Pretpostavimo da, iz bilo kojeg razloga, trenutnog opterećenja promjena $I_{\mathrm {d1} }$ do $I_{\mathrm {d2} }$ (slika 3). Povećana mogućnost da će dovesti do povećanja napona. Da biste vratili nominalni napon mirne radne tacke, stabilizator napona premješta iz $P_{0}P_{2}$, koji će dovesti do povećanog pada napona na elementu na $V_{\mathrm {GS2} }$ i obnoviti nominalni napon $V_{0}$ na izlazu stabilizatora. Pri sniženom ulaznih napona mirna radna tačka se seli od $P_{0}P_{1}$, u neposrednoj blizini aktivnog područja. Na granici između omske oblasti i područja zasićenja ima neke kritične tačke $V_{\mathrm {DO} }$, ispod kojih je stabilizator isključen i element ulazi u aktivan režim. U ovom području, izlazni napon $V_{\mathrm {O} }$ zavisi shodno naponu $V_{\mathrm {I} }$. Na taj način $V_{\mathrm {DO} }=I_{\mathrm {L} }R_{\mathrm {ON} }$ gdje je $R_{\mathrm {ON} }$ - vrijednost otpora pass elementa. Kao primjer, na slici 4. pokazuje izlazna karakteristika 3,3-voltnog TPS76333 LDO stabilizatora Texas Instrumens-a (TI).

Statička struja

Statučka struja definiše kao razlika između struje u ulazu i izlazu stabilizatora, pa je $I_{\mathrm {q} }=I_{\mathrm {I} }-I_{\mathrm {0} }$. Kako bi povećali efikasnost stabilizatora želi se smanjiti maksimalan iznos razlike struje u ulazu i izlazu. Statička struja zavisi od šeme stabilizatora, komponenti i temperature. Generalno, statička struja – je suma struja Voltage Reference $I_{\mathrm {a} }$ (slika 1.), struje kroz otpornik $I_{\mathrm {s} }$ , stuje OP-a $I_{\mathrm {r} }$, i struja kroz provodni element $I_{\mathrm {DRV} }$ (ako se ne teče kroz opterećenja). Za bipolarne transistore statička struja zavisi od trenutnog izlaza (koji raste s povećanjem opterećenja-struja). Za MOSFET strujni tok praktično ne zavise od opterećenja, već napona uređaja. Glavni doprinos od strane strujnog pomaka ima ION, rezistivni djeljioci i greške na pojačalu. Radi ekonomičnosti šeme obično se koristiti LDO sa MOSFETom. Slika 5.

Efikasnost stabilizatora

Efikasnost LDO stabilizatora definisana je statičkim šokom i razlikom ulaznih i izlaznih napona:

$Efikasnost=\left({I_{0}V_{0} \over \left(I_{0}+I_{\mathrm {q} }\right)V_{\mathrm {I} }}\right)100\%$

Za povećanje efikasnosti i smanjenjem trenutnog mirovanja smanjuje se pad napona na tranzistoru. S druge strane, veća produktivnost, manje rasuta moć transistora, od:

$P={V_{\mathrm {I} }-V_{\mathrm {0} } \over V_{\mathrm {0} }}$. Prema tome, struja miruje i pad napona, i predstavlja važan parametar LDO stabilizera.

Stabilizacija izlaza

Nestabilnosti opterećenja pokazuje kako promijeniti napon zavisno od promjene struje (tipična vrijednost ovog parametra je 0,8%). Mogućnost za potporu LDO-a izlazni napon zavisno od promjene struje je definirano kao:

${dV_{0} \over dI_{0}}={1 \over b_{\mathrm {ga} }}{R_{\mathrm {1} }+R_{\mathrm {2} } \over R_{\mathrm {2} }}$

Ovi parametri ne zavise od frekvencije, određeni su uveđanjem kada je povratna sprega kolo sistema. A naročito neugodna iskustva - skokovit korak promjene izlaza struje (slika 6).

Stabilizacija ulaza

Stabilizacija ulaza određuje prirodu promjene u izlaznom naponu zavisno od izmjene na ulaznu (tipična vrijednost ovog parametra je manje od 1%)

${dV_{0} \over dV_{\mathrm {I} }}={1 \over R_{\mathrm {DS} }+R_{\mathrm {L} }}{R_{\mathrm {1} }+R_{\mathrm {2} } \over GR_{\mathrm {2} }}$

Gdje je: $G=b_{\mathrm {ga} }$ pojačanje kada je petlja povratne sprege, $R_{\mathrm {DS} }$ - ekvivalentna otpornost između izvora i drejna tranzistora, $R_{\mathrm {L} }$ - otpornost na opterećenju. Kao i u prethodnom slučaju, stabilizacija izlaza ne zavisi o učestalosti i definise se parametrima od ekvivalentnog kola za direktnu struju. U prirodi ponašanja izlaznog napona kada se promijeni ulazni korak je prikazano na Slici 7.

Dinamička nestabilnost

Tipično, stabilizovani maksimalni napon (slika 8), zavisi od kapaciteta i ESR kondenzatora na izlazu i kapaciteta filtera na kondenzatoru:

${dV_{\mathrm {trmax} }}={I_{\mathrm {0max} } \over C_{\mathrm {0} }+C_{\mathrm {b} }}dt_{1}+{dV_{\mathrm {ESR} }}$

gdje je: $dt_{1}$ - skup OU u zatvorenoj povratnoj sprezi , $dV_{\mathrm {ESR} }$ proporcionalan ESR-u. Trenutna karakteristika LDO stabilizatora je prikazano na Slici. 8. Korak promjene struje na 90 mA izaziva kratkoročne prigušene oscilacije izlazni napon sa najvećom amplitudom od 120 mV.

${dV_{\mathrm {trmax} }}={90mA \over 4,7uF+0}+1+{dV_{\mathrm {ESR} }=19mV+101mV=120mV}$

Dakle, ovim obrascom izračunava se $dV_{\mathrm {ESR} }$ i dobija se za 101 mV promjenjen izlazni napon. To je važno zapažanje, što pokazuje da je u LDO izlaznu kapacitivnost ne treba uključivati stalno, ali obično uz procjenu vrijednosti ESR.

Tipične vrijednosti ESR je u rasponu od 0.2 do 9 ohma za kondenzator kapaciteta 4.7 µF promjenljivom strujom od 0 do 250 mA. LDO se može koristiti kao elektrolit tantala ili elektrolit aluminijuma, ili kao višeslojni keramički kondenzator.

Karakteristike ulaznog napona

Sposobnost LDO-a je da se odupire kratkoročnim promjenama ulaznog napona odjeđena vrijednosti PSRR (Power Supply Rejection Ratio), jednak tretman fluktuacije napona na izlazu i ulazu, $PSRR={V_{\mathrm {0ripple} } \over V_{\mathrm {Iripple} }}$ kao „žubor“ kroz frekvencijski opseg. PSRR – je bitna karakteristika LDO-a, utvrđuje mogućnost korištenja u kombinaciji snage kapacitivnosti za potiskivanje šuma na izlazu impulsnog regulatora. Radna frekvencija (prebacivanje frekvencije) od stabilizatora je obično u rasponu od 100 kHz do 1 MHz. U najgorem slučaju (najviše tačke na grafu Slika 9.) - gdje je $R_{\mathrm {ESR} }$ veliko i filtar kondenzatora $C_{\mathrm {v} }$ je mali.

Šum na izlazu stabilizatora

Na konstantnoj struji izlaza i manjak pulsacije napona stabilizator generalno ima "sumove" u rasponu od 10 Hz do 100 kHz, generisući na izlazu napon od 50 do 500 mV. Postoje posebne vrste LDO stabilizatora za osjetljive sklopove (kao što je napon generatora), nivo suma spušta i do 20m$V_{\mathrm {eff} }$

Споменице и захвалнице

100 измена

10%