Regulatoare de comutare versus regulatoare liniare All-Electronics
Dintr-o privire
Regulatoarele liniare nu sunt cu siguranță soluția potrivită pentru fiecare scenariu posibil, dar având în vedere progresele - tensiuni de funcționare mai mici, MOSFET-uri cu rezistențe la pornire mai mici, precum și îmbunătățiri ale regulatorilor liniari înșiși și ale altor componente din circuit - dezvoltatorii ar trebui să abordeze din nou subiectul și să utilizeze regulatorii liniari ca alternativă Luați în considerare comutarea regulatoarelor.
Majoritatea oamenilor consideră dacă regulatoarele de comutare sau regulatoarele liniare sunt soluția cea mai bună pentru a fi rezolvate de mult timp - la fel cum discuția despre rețelele de curent alternativ sau continuu s-a încheiat de mult. Conform viziunii convenționale, regulatoarele liniare sunt simple și ieftine, dar și ineficiente; sunt, prin urmare, adecvate numai pentru aplicații sensibile la costuri în care eficiența energetică este de importanță secundară, trebuie alimentate doar sarcini mici sau tensiunea de ieșire dorită este doar puțin sub tensiunea de intrare.
Regulatorul liniar
Funcționalitatea de bază a unui regulator liniar este foarte simplă: există un rezistor de serie variabil sub forma unui tranzistor între sursa de tensiune și sarcină. Această rezistență este reglată în funcție de curentul de sarcină, astfel încât să rezulte o tensiune de ieșire constantă. O pierdere de putere proporțională cu curentul de sarcină și diferența dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire are loc în tranzistor și se pierde sub formă de căldură. Tensiunea de ieșire a unui regulator liniar este, în general, mai mică decât tensiunea de intrare, iar reglarea eficientă este posibilă numai dacă diferența de tensiune între intrare și ieșire nu scade sub o anumită valoare minimă, care este denumită tensiune de abandon. În trecut, această tensiune de abandon a fost de aproximativ 1,5 V. Tensiunea de intrare trebuie să fie suficient de mare pentru a menține această diferență minimă de tensiune.
Regulatorul liniar 3-A APE 8968MP-HF-3. Electronică avansată de putere
Cu toate acestea, tehnologia a evoluat de-a lungul anilor. Astăzi, diferențele mari de tensiune între sursa de tensiune și sarcină fac mai mult excepția decât regula. Multe plăci funcționează acum cu tensiuni de funcționare semnificativ mai mici decât erau obișnuite în trecut. Nu este neobișnuit ca cea mai mare tensiune de funcționare pe o placă să fie de doar 3,3 V. Multe module de memorie flash, procesoare, microcontrolere și ASIC funcționează acum cu tensiuni de numai 1,8 V, 1,2 V sau chiar mai mici de 1 V. domeniul de tensiune care trebuie reglat a devenit semnificativ mai mic. Unele modele de astăzi chiar trec fără regulatoare de comutare, deoarece regulatoarele liniare moderne permit reglarea eficientă la aceste niveluri de tensiune.
Acest lucru se datorează în principal tehnologiilor îmbunătățite ale componentelor. Componenta cheie a unui regulator liniar pentru eficiența energetică este tranzistorul de serie. Tehnologia MOSFET modernă permite MOSFET-uri extrem de eficiente, extrem de compacte, cu o rezistență foarte mică la pornire. Acest lucru are un efect imediat asupra tensiunii de abandon. Timp de mulți ani, regulatoarele liniare cu o tensiune de scădere de 1,4 V au fost considerate regulatoare de scădere scăzută (LDO). Tehnologia MOSFET îmbunătățită drastic permite acum tensiuni de scădere de câteva sute de milivolți, chiar și cu curenți de sarcină mari. Aceste regulatoare sunt o soluție eficientă pentru aplicații în care tensiunea de ieșire este doar puțin sub tensiunea de intrare. În aceste cazuri, regulatoarele liniare moderne pot obține eficiențe de la 85 la 87 la sută.
Tensiune de ieșire numai 0,23 V la 3 A.
Cablarea regulatorului liniar 3-A APE 8968MP-HF-3 cu un condensator de ieșire care are o rezistență în serie (ESR) mai mare de 20 mOhm. Electronică avansată de putere
Acești așa-numiți regulatori liniari „ultra-low-dropout” includ recent introdus APE 8968MP-HF-3 de la Advanced Power Electronics - un regulator liniar 3-A care funcționează foarte eficient în aplicații cu o diferență de tensiune de intrare/ieșire de numai 300 mV. Controlerul este conceput pentru aplicații convertor DC/DC simple, la bord, de încărcare (POL), de exemplu aplicații pentru plăci de bază și notebook-uri, și necesită două tensiuni de funcționare - una de funcționare principală și alta pentru controlul MOSFET -Porti. Tensiunea de cădere tipică a acestui regulator este de numai 0,23 V la 3 A.
Este ușor de trecut cu vederea faptul că regulatoarele liniare au avut întotdeauna anumite avantaje față de comutarea regulatoarelor în anumite situații. De exemplu, disiparea puterii unui regulator liniar transformat în căldură este în multe cazuri mai mică decât cea a unui regulator de comutare cu o sarcină redusă sau o diferență mică de tensiune de intrare/ieșire. Un alt aspect important este zgomotul; acest lucru este valabil mai ales pentru aplicațiile de procesare a semnalului și, din ce în ce mai mult, pentru dispozitivele medicale personale. Regulatoarele de comutare necesită componente de filtrare pentru a suprima frecvența de comutare, care poate fi între 300 kHz și 1,5 MHz. Aceste componente determină costuri suplimentare și ocupă spațiu pe placa de circuit. Deoarece regulatoarele liniare nu se comută, ele zgomot semnificativ mai puțin. Acest lucru economisește componente și costuri și crește, de asemenea, fiabilitatea. În plus, regulatoarele liniare sunt componente mai simple și mai mici, ceea ce economisește spațiu și greutate PCB.
Fiecare decizie de proiectare este un compromis
Regulatorul liniar 3-A APE 8968MP-HF-3 a fost conectat cu un condensator MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor) ca condensator de ieșire. Electronică avansată de putere
În practică, dezvoltatorii trebuie să aleagă o soluție cu care să poată atinge performanța necesară a sistemului și viteza de lucru în timpul specificat de dezvoltare și în cadrul costurilor specificat. Pentru aplicațiile care necesită reglare ascendentă, regulatoarele liniare sunt, desigur, excluse, deoarece pot regla numai în jos. În aplicațiile cu baterii și dispozitivele portabile, în care durata de viață și eficiența bateriei sunt prioritare, un regulator de comutare poate fi cu siguranță soluția optimă și „numai corectă”. Cu toate acestea, există multe alte aplicații în care o eficiență de ordinul 85% până la 87% este complet suficientă, mai ales având în vedere costurile suplimentare considerabile ale unui regulator de comutare. Numărul semnificativ mai mic de componente și fiabilitatea corespunzător mai mare a unei soluții de control liniar pot fi, de asemenea, aspecte importante.