Что такое ldo в ноутбуке
Обновлено: 07.07.2024
Доминирующим направлением компании ON Semiconductor остается управление питанием (Power Management). В этой категории линейные регуляторы традиционно являются одними из самых востребованных на современном рынке полупроводниковой продукции. Особым спросом пользуются линейные стабилизаторы с малым падением напряжения LDO (Low DropOut), которых в номенклатуре ON Semiconductor насчитываются десятки типов. Основными преимуществами LDO-стабилизаторов напряжения ON Semi является их широкая номенклатура для различных приложений, высокое качество и надежность при невысоких ценах
История микросхем интегральных стабилизаторов напряжения начинается с 1967 г. С тех пор интегральные стабилизаторы напряжения являются неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, характеристики которой в значительной степени определяются точностью и стабильностью питающих напряжений. Стабилизаторы с малым падением напряжения используют в качестве регулирующего элемента биполярный PNP-транзистор или полевой транзистор (одиночный либо составной). Падение напряжения в этом случае составляет десятые доли вольта, что, безусловно, расширяет область применения LDO-стабилизаторов.
В настоящее время в номенклатуре ON Semi несколько десятков типов LDO-стабилизаторов, отличающихся величиной минимального напряжения, диапазоном рабочих выходных токов и входного напряжения, числом каналов, уровнем шумов, а также наличием дополнительных функций. Каждый квартал в номенклатуре появляются новые микросхемы LDO. Целью новых разработок является: расширение номенклатуры для успешной конкуренции во всех нишах, снижение цены, а также разработка новых типов по новым технологиям для адекватной замены морально устаревших позиций.
Выпускаемые промышленностью современные LDO-стабилизаторы можно условно разделить на несколько групп в соответствии с их параметрами и областью применения:
– типовые с фиксированным и регулируемым выходным напряжением;
– экономичные (с малым статическим током);
– со сверхмалым (Ultra LDO — 200 мВ и менее) падением напряжения;
– прецизионные с точностью установки выходного напряжения выше 1%;
– быстродействующие (с быстрым откликом);
– многоканальные (сдвоенные и т.д.);
– специализированные с дополнительными сервисными функциями.
Такие сервисные устройства как схемы защиты от перегрузки по току и перегрева, а также схемы отключения нагрузки при повышении и понижении выходного напряжения стабилизатора, в настоящее время являются стандартными и используются в большинстве LDO. У стабилизаторов, предназначенных для работы в устройствах с батарейным питанием, делается защита по входу от переполюсовки и значительного превышения входного напряжения при неправильном подключении элементов питания. Ряд микросхем имеет управляющий вход On/Off (Shutdown) установки дежурного режима (Sleep Mode), в котором отключается выходное напряжение и существенно снижается ток потребления. Во многих современных типах LDO введена и защита от протекания обратного тока (Reverse Bias Protected). Этот нежелательный эффект возникает при резком падении напряжения на входе до нуля и его сохранении на выходе за счет конденсатора. В стабилизаторе с биполярными регулирующими транзисторами ток в этом случае начнет протекать через p-n-переход от выхода к входу. Защита реализована за счет введения дополнительного транзистора, который принудительно разряжает выходную емкость стабилизатора при уменьшении входного напряжения ниже порога.
Классификация LDO
По области применения LDO-стабилизаторы разделяются на универсальные (Multi-market) и стабилизаторы для приложений с расширенным температурным диапазоном (исполнение Automotive). LDO класса Automotive предназначены не только для автомобильных и транспортных приложений, но и для любых приложений с жесткими условиями эксплуатации. На рисунке 1 представлена номенклатура универсальных LDO-стабилизаторов напряжения компании ON Semiconductor.
Особый интерес представляют новые изделия, появившиеся на рынке в последние годы. Любое новое изделие выводится на рынок с целью либо восполнить пробел в существующей линейке, либо заменить имеющееся изделие новым с улучшенными параметрами, востребованными в современных приложениях.
Эффективность LDO может проявляться при малом падении напряжения между входом и выходом. Другое преимущество LDO перед импульсными источниками напряжения — отсутствие импульсных помех и низкий уровень ЭМИ.
Основной сектор применения LDO — это, конечно, портативные приборы с батарейным питанием. Другой сектор — вторичные источники для питания процессоров и ПЛИС, в которых требуются разные напряжения питания. В этом случае базовым источником питания устройства, например, является источник 3,3 или 5 В, а напряжения меньшего номинала формируются с помощью LDO..
Стабилизаторы по технологии NoCap
На выходе первых разработанных LDO-стабилизаторов напряжения для обеспечения устойчивости работы требовалась установка довольно дорогих электролитических конденсаторов Low ESR большой емкости и габаритов. По мере внедрения новых технологий LDO стали появляться микросхемы, в которых не требуется установка конденсаторов Low ESR большой емкости. Вместо них достаточно было установить недорогие и более компактные керамические конденсаторы малой емкости. Этот тип стабилизаторов получил название NoCap. В большинстве случаев для обеспечения устойчивости достаточно установки керамических конденсаторов до 1 мкФ, которые за последнее время не только заметно подешевели, но и уменьшились в размерах. Почти все новые типы LDO не требуют установки на выходе дорогих конденсаторов Low ESR, поэтому практически все современные LDO можно условно отнести к типу NoCap. Однако в номенклатуре LDO сохранилась такая классификация. К ним можно отнести серию NCP552, NCP553, NCV553.
Эта серия стабилизаторов напряжения NoCap с фиксированным напряжением предназначена для приборов с батарейным питанием, для которых важен малый ток покоя. Выходной ток стабилизатора составляет –80 мА, а ток покоя — всего 2,8 мкА. В качестве проходного элемента используется мощный транзистор PMOS. Имеется защита от перегрева. Основное достоинство этих устройств в том, что для обеспечения устойчивой работы стабилизатора достаточно установки недорогой керамической емкости на выходе. Стабилизатор может работать и без выходного конденсатора. На входе стабилизатора рекомендуется установить керамическую емкость на 1 мкФ, а на выходе для устойчивости достаточно поставить керамический конденсатор на 0,1 мкФ.
Микросхема выполнена в субминиатюрном корпусе для поверхностного монтажа типа SC-82 AB. Она поставляется в версиях с фиксированными выходными напряжениями: 1,5; 1,8; 2,5; 2,7; 2,8; 3,0; 3,3 и 5,0 В. Возможны и заказные исполнения. Дискретность установки напряжения для заказных версий составляет 100 мВ.
Портативные приборы с батарейным питанием
Это, несомненно, самый доминирующий сектор, в котором в полной мере могут реализоваться все преимущества LDO — малое падение напряжение, высокое быстродействие, наличие сервисных функций, различные и гибкие режимы энергосбережения. Область применения подобных устройств крайне широка — это мобильные средства связи, портативные компьютеры, устройства питания микроконтроллеров, автономные видеокамеры слежения и т.д.
Использование LDO в телекоммуникационном оборудовании
Как правило, в таком оборудовании используется AC/DC-преобразователь на выходные напряжения 5 или 3,3 В. Конструкция может содержать базовую плату и интерфейсные мезонинные модули. В базовой (материнской) плате используются напряжения 2,5; 2,0; 1,8 В для питания ядер ПЛИС, DSP или коммуникационных контроллеров, процессоров или трансиверов. На каждом мезонинном модуле могут использоваться свои локальные источники LDO на 2,5/2,0/1,8 В. При невысоком потреблении тока, например, до 50 мА, могут использоваться LDO в корпусах SOT-23 или SOT-83. На токи 150–300 мА для источников 2,5/2,0 В следует применять LDO в корпусах с большей рассеиваемой мощностью.
Исполнение Automotive
Микросхемы исполнения Automotive имеют в названии типа префикс NCV. Стабилизаторы для автомобильных приложений выделены в отдельную группу, поскольку область применения накладывает на изделия ряд специфических требований:
– максимальное значение входного напряжения не ниже 12 В, что определяется напряжением сети питания автомобиля;
– устойчивость к кратковременным броскам напряжения в сети;
– широкий диапазон рабочих температур (–40…125°С);
– температурный диапазон хранения –65…150°С.
Некоторые продукты ON Semi для данного исполнения имеют даже более широкий температурный диапазон. На первый взгляд, использование LDO в автомобильной электронике нецелесообразно: на фоне потребляемого источниками света тока 10…20 А при запущенном двигателе и работе генератора экономия единиц мА не вполне оправдана. Но часть электроники продолжает работать и при выключенном моторе. Это сервисные системы — охранная сигнализация, часы реального времени и т.д. Для питания управляющих микроконтроллеров используются напряжения 3…5 В. Система должна сохранять работоспособность даже при разряде автомобильного аккумулятора ниже порогового уровня, когда энергии и тока недостаточно для работы стартера, или же когда просадка напряжения аккумулятора в момент работы стартера достигает 6 В. При больших токовых нагрузках использование LDO проблематично. В этих случаях лучше применять стабилизаторы напряжения на основе импульсных преобразователей.
5,0-В LDO-стабилизатор NCV4949A с формирователем сигнала Reset и датчиком входного напряжения
Микросхема NCV4949A стабилизатора LDO на 5 В (см. рис. 2) имеет дополнительные функции, такие как формирование сигнала сброса для микроконтроллера и пороговый датчик входного напряжения. Микросхема предназначена для формирования питания встроенных микроконтроллерных бортовых систем, в частности, автомобильных.
– диапазон входных напряжений: 5,0…28 В;
– броски напряжения: до 40 В;
– высокоточное выходное напряжение: 5,0 В 1%;
– нагрузочная способность: до 100 мА;
– падение напряжения на стабилизаторе: менее 0,4 В;
– схема формирования сигнала сброса по изменению выходного напряжения;
– программируемая задержка импульса сброса;
– компаратор низкого входного напряжения;
– схема защиты от перегрева и КЗ на выходе.
Стабилизатор NCV8508B с дополнительными функциями RESET, Wakeup, Watchdog
Микросхема NCV8508B имеет исполнения с выходным напряжением 5,0 и 3,3 В. Это микромощный прецизионный LDO-стабилизатор на ток 250 мA. Логика управления микропроцессора включает сигналы сброса RESET (с задержкой), инициализации (Wakeup) и сторожевой таймер (Watchdog). Функция Wakeup пробуждает микропроцессор из режима Sleep. Сигнал Wakeup формируется по таймеру Watchdog. При нормальной работе микропроцессор производит регулярный сброс сторожевого таймера по входу WDI. Сигнал RESET формируется при уменьшении выходного напряжения ниже 1,0 В. Сигнал RESET активируется и при начальном включении питания. Задержка включения регулируется внешним резистором Rdelay. Ток покоя микросхемы: – 100мкА. Применение: модули управления двигателем, электротранспорт.
– выходное напряжение: версии 5,0 и 3,3 В;
– точность выходного напряжения: ±3,0%;
– выходной ток: 250 мА;
– ток покоя не зависит от нагрузки: 100 мкА;
– защита: от перегрева, короткого замыкания, бросков входного напряжения до 45 В.
На рисунке 3 показаны временные диаграммы сигналов, формируемых на выводах микросхемы.
Микросхема NCV8537 с функцией Power Good
Микросхема LDO-стабилизатора NCV8537 обеспечивает выходной ток 500 мА. Она является модификацией популярной микросхемы NCV8535, сохраняя все лучшие качества предшественника, в т.ч. высокую точность, отличную стабильность работы, низкий уровень выходного шума, защиту от протекания обратного тока. В данной модификации добавлена дополнительная сервисная функция — выходной сигнал Power Good пороговой схемы мониторинга выходного напряжения. Если напряжение становится ниже порога, на выходе PG появляется низкий логический уровень. Диапазон входных напряжений: 2,9…12 В.
Микросхема доступна в исполнениях с выходными напряжениями 1,8; 2,5; 3,3; 5,0 В, а также с регулировкой выходного напряжения. Корпус DFN10.
– сетевые телекоммуникационные устройства, DSL/кабельные модемы;
– аудиосистемы для автомобильных приложений;
Многоканальные LDO
Двухканальный 3,3-В микромощный стабилизатор CS8363 с формирователями сигналов ENABLE и RESET
На рисунке 4 показана схема применения двухканального стабилизатора CS8363. После подачи напряжения на вход стабилизатора в нем формируется импульсный сигнал начального сброса микроконтроллера, и подается питание по основному каналу. Второй канал стабилизатора обеспечивает питание периферийных устройств, подключаемых к микроконтроллеру. Напряжение на выходе этого канала регулируется. Включение канала питания производится по сигналу ENABLE, формируемому микроконтроллером.
Как можно заметить, в данном типе LDO рекомендуется установка на выходах конденсаторов Low ESR довольно большой емкости — 10 мкФ. В настоящее время на рынке доступны недорогие керамические конденсаторы емкостью 10–20 мкФ, которые можно устанавливать вместо дорогих танталовых или ниобиевых Low ESR.
Двухканальный NCP4672 стабилизатор с формированием сигналов сброса
NCP4672 имеет два детектора для фиксации напряжения на входе и выходе стабилизатора, что позволяет формировать требуемую последовательность подключения питания для микросхем, в которых используется несколько разных источников напряжения, например, для питания ядра и периферии.
На входах и выходах стабилизатора можно устанавливать недорогие керамические конденсаторы емкостью 0,1 и 4,7 мкФ.
Трехканальный CMOS LDO NCP4523 для питания ВЧ-модулей
Стабилизаторы серии NCP4523 являются многоканальными стабилизаторами с различными напряжениями на выходе и высокой нагрузочной способностью. Токи выходов: 200; 100; 100 мА. Эта серия характеризуется низким уровнем шума выходных сигналов, низким собственным потреблением, высокой степенью подавления импульсных помех. Каждый из трех отдельных модулей содержит свой источник опорного напряжения и резистивный делитель для установки уровня выходного напряжения. Каждый канал имеет защиту от короткого замыкания на выходе и вход разрешения. Установка резистивных делителей производится лазерной подгонкой в процессе производства.
– питание сотовых телефонов GSM, CDMA и систем персональной связи;
– питание видеокамер, цифровых камер;
– питание батарейных приборов.
Заводская установка резистивного делителя определяется кодом заказа. В таблице 1 указаны маркировки для трех стандартных версий микросхемы.
Таблица 1. Номиналы выходных напряжений и маркировка стандартных версий NCP4523
Доброго времени суток! Продолжаем обзор принципа работы системы питания ноутбука на базе платформы Compal LA-C801P REV: 1.A. Схему можно скачать тут .
В третьей части мы рассмотрели "дежурку", которая запитывает мультиконтроллер и обеспечивает режим ожидания. В продолжении темы рассмотрим базовые напряжения, которые формирует также "дежурка". Это напряжения, обозначенные на схеме +3VALW и +5VALW . Согласно карте питания (рассмотрена в четвертой части статьи), мы видим что их формируют гибридные ШИМ контроллеры SY8286BRAC и SY8286CRAC , обозначенные на схеме PU401 и PU402 соответственно. Отличие у них в цоколевке и в формируемом напряжении линейного и импульсного стабилизатора +3V и +5V соответственно. Заметьте что разница в одной букве в маркировке дает значительную разницу в характеристиках микросхемы! Т.е. надо быть крайне внимательным при подборе микросхемы на замену. Корпуса этих микросхем очень малы, всего 3 на 3 миллиметра, и физически производитель не смог бы нанести полную маркировку микросхемы, поэтому используется кодированное название. Для первой микросхемы это одно из: AWV5QB, AWV5BB, AWV5JA.
Для второй: AWW5LA, AWW5BZ, AWW5JC.
Документацию на эти микросхемы найти не удается, даже на официальном сайте производителя ее нет. Видимо данные микросхемы изготавливались по специальному заказу.. Но нам ничего не мешает для понимая сути рассмотреть функциональную схему микросхемы 8286A, принцип работы у них схож:
Данный DC-DC преобразователь состоит из:
- линейного стабилизатора (LDO - Linear Drop-Out regulators ) 3.3V
- Импульсного преобразователя, включающего PWM контроллер и выходных ключей (MOSFET)
- Системы защиты
Питание подается на вход IN (согласно документации от 4 до 23V), вход BS предназначен для подключения внешнего конденсатора к LX , LX - выход для подключения катушки индуктивности, собственно после катушки снимается выходное напряжение. GND - ground, "корпус" или просто "минус" в системе. VCC выход LDO 3.3V, BYP - байпас, сюда подаются внешние 3,3V, у нас не используется. FB - feed back, обратная связь - очень важный и критичный сигнал, с помощью этого сигнала мы настраиваем микросхему на нужное выходное напряжение с помощью резистивного делителя выходного напряжение по формуле:
FB всегда должно быть равно 0,6V, отсюда, зная какое нам нужно напряжение на выходе мы подбираем резисторы R1 и R2 так, чтобы FB было равно 0,6V. Отслеживая этот сигнал внутренний ШИМ механизм будет поднимать или опускать выходное напряжение, стабилизируя его. MODE и ILMT задают режимы работы микросхемы, подробно не будем рассматривать. EN - enable, логическая "1" - работа микросхемы разрешена. PG - power good, дает понять "старшим" что все хорошо, питания в норме, обычно подается в мультиконтроллер.
Рассмотрим схему включения PU401 :
Здесь выводы 2-5 входное напряжение, на них подается +19VB . LX выходное напряжение, к нему подключается катушка индуктивности, с которой "снимается" +3VALWP . GND - "корпус". LDO - выход линейного стабилизатора, от него питается мультиконтроллер (рассмотрели в третьей части). FF + OUT - обратная связь. Здесь два сигнала Enable: EN1 разрешает работу импульсного стабилизатора, при этом появляется напряжение на LX . EN2 разрешает работу линейного стабилизатора (LDO). В данной схеме EN2 формируется сразу из +19VB . Т.е. при подаче +19V сразу начинает работать линейный стабилизатор, выдавая +3VLP .
на EN1 подается сигнал 3V_EN , найдем в схеме (CTRl+F) как он формируется:
Тут мы видим: сигнал 3V_EN будет равен логической "1" если сигнал 3V_EN_R_EC (формируется мультиконтроллером) в высоком уровне и MAINPWON также в высоком уровне. Здесь присутствует диод Шоттки D2012 . Если вдруг MAINPWON станет равен логическому "0", то диод откроется и на 3V_EN будет низкий уровень, после чего сразу выключится +3VALW .
Давайте разберемся для чего это сделано. Найдем где используется и как формируется MAINPWON:
Здесь на микросхеме G718TM1U реализована термозащита процессора. Как только к ноутбуку подключен блок питания или вставлена заряженная батарея, включается дежурное напряжение +3VLP и в точке 2 резистора PR207 будет +3V, при условии что вывод 3 микросхемы в закрытом, не активном состоянии ( OT1 с чертой сверху, значит активный уровень "0") . Данная микросхема предназначена для сигнализирования о превышении допустимой температуры, ее значение "программируется" подбором терморезистора ( PH201 ) и резисторов PR206 , PR209 . В данной схеме при достижении температуры 92 градуса Цельсия, микросхема PU201 выставит вывод 3 в низкий уровень, а значит MAINPWON станет равен логическому "0", что приведет к отключению +3VALW.
С помощью MAINPWON также реализована функция Reset:
Теперь кратко рассмотрим схему включения PU402. Так как она практически идентична схеме PU401. Разница лишь в том что LDO PU402 выдает +5V и не используется:
Увеличить срок службы комплекта батарей или заряда аккумулятора, просто добавив в схему линейные стабилизаторы напряжения? Увеличить стабильность напряжения и уменьшить пульсации после импульсного преобразователя практически без снижения КПД блока питания? Это реально, если использовать современные микромощные LDO-стабилизаторы от STMicroelectronics с малым падением напряжения производства.
Продолжительное время разработчикам электронной аппаратуры были доступны только классические стабилизаторы (например, LD1117 или стабилизаторы серий 78xx/79xx) с минимальным падением на регулирующем элементе от 0,8 В и выше. Связано это было с тем, что в качестве регулирующего элемента применялся n-p-n-транзистор, включенный по схеме с общим коллектором. Для того, чтобы открыть такой транзистор до насыщения, необходим дополнительный источник питания, напряжение которого превышает входное напряжение. Однако развитие технологий не стоит на месте, и с появлением мощных и компактных p-канальных полевых транзисторов их тоже начали использовать в стабилизаторах напряжения, включая по схеме с общим истоком. Такая схема позволяет при необходимости полностью открыть транзистор, и падение напряжения на его переходе фактически будет зависить только от сопротивления канала и тока нагрузки. Так появился стабилизатор LDO (Low DropOut).
Уникальная возможность LDO – его способность практически без ухудшения суммарного КПД блока питания стабилизировать напряжение, сглаживать выбросы и уменьшать шум на шине питания для высокочувствительных устройств, таких как радиоприемники, модули GPS, аудиоустройства, АЦП высокого разрешения, генераторы VCO, [1]. Например, для питания схемы напряжением 3,3 В мы выбрали LDO с минимальным падением 150 мВ и понижающий импульсный стабилизатор с пульсациями на выходе амплитудой 50 мВ (верхняя кривая на рисунке 1). Выходное напряжение импульсного стабилизатора можно приблизительно оценить по формуле:
где UИмп – выходное напряжение импульсного стабилизатора, UНагр. – выходное напряжение линейного стабилизатора (напряжение питания нагрузки), ∆UИмп – амплитуда пульсаций напряжения на выходе импульсного стабилизатора. Поэтому выберем его равным 3,6 В. В итоге КПД ухудшится всего на 8%, однако при этом значительно уменьшатся пульсации напряжения. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (SVR) определяется по формуле:
При типовом коэффициенте порядка 50 дБ пульсации ослабляются примерно в 330 раз. То есть амплитуда пульсаций на выходе нашего источника питания уменьшится до сотен микровольт (нужно еще учитывать шум самого LDO, обычно он составляет десятки мкВ/В) – такой результат практически недостижим для большинства импульсных преобразователей без дополнительного стабилизатора или многозвенных LC-фильтров на выходе. Наилучшие характеристики стабилизации обеспечивают микросхемы LDLN015, LD59015 и микросхемы серии LD39xxx – у LDLN015 шум не превышает 10 мкВ/В, а коэффициент SVR доходит до 90 дБ.
Однако у LDO тоже есть недостатки, один из которых – склонность к самовозбуждению, причем не только при слишком большом ESR выходного конденсатора (или его слишком маленькой емкости), но и при слишком низком ESR. Связана эта особенность с тем, что каскад с общим эмиттером (общим истоком) имеет высокий выходной импеданс, поэтому на частотной характеристике стабилизатора появляется дополнительный низкочастотный полюс (его частота зависит от сопротивления нагрузки и емкости выходного конденсатора). В итоге уже на частотах в десятки килогерц сдвиг фазы может превысить 180° и отрицательная обратная связь превращается в положительную [2]. Для решения такой проблемы в частотную характеристику необходимо добавить нуль, и простейший способ сделать это – увеличить последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора: это практически не увеличивает пульсации выходного напряжения, но является залогом стабильности всей схемы. Причем емкость и ESR конденсатора должны быть в строго очерченных пределах. Они указываются индивидуально для каждого LDO-стабилизатора. Увы, но стандартный подход «чем больше емкость и чем ниже ESR выходных конденсаторов – тем лучше», применимый к классическим линейным и импульсным стабилизаторам, здесь не работает.
В зависимости от компонентов внутренней корректирующей схемы, LDO-стабилизаторы можно условно разделить на три группы:
Есть еще один способ увеличить стабильность преобразователя – использовать в качестве регулирующего n-канальный транзистор, включенный по схеме с общим стоком. Такая схема стабильна практически при любых характеристиках выходного конденсатора, и даже вообще без конденсатора (так называемые capless-стабилизаторы). Однако для ее корректной работы необходим внутренний умножитель напряжения, который будет повышать входное напряжение для возможности отпирания регулирующего транзистора до насыщения. По такой схеме изготовлен LDCL015 – благодаря более низкому сопротивлению канала n-канальных транзисторов той же площади удалось значительно снизить падение напряжения, однако из-за постоянно работающего умножителя резко возрос потребляемый микросхемой ток в активном режиме. Но, по мнению автора, за такими стабилизаторами – будущее LDO, поэтому проблема повышенного энергопотребления наверняка скоро решится.
Еще несколько особенностей LDO связаны со спецификой используемого в качестве регулирующего элемента MOSFET-транзистора – с его значительной емкостью затвора и со встроенным паразитным обратносмещенным диодом. Так, при резком пропадании напряжения питания (например, короткое замыкание на входе стабилизатора) и значительной емкости выходных конденсаторов выходное напряжение течет через диод на вход и, теоретически, стабилизатор может выйти из строя из-за ничем не ограниченного обратного тока. Особенно это критично для мощных стабилизаторов, работающих с токами в несколько ампер, поэтому в некоторых стабилизаторах (например, LD39200) встроена специальная схема защиты от обратного тока.
Рис. 1. Пульсации на входе (верхний график) и выходе LDO-стабилизатора
Из-за значительной емкости затвора ухудшается способность транзистора быстро реагировать на резкие изменения тока нагрузки. В итоге, при уменьшении тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора по инерции повышается (до тех пор, пока встроенный операционный усилитель не сможет чуть закрыть транзистор), а при увеличении тока – выходное напряжение слегка проседает (нижняя кривая на рисунке 1). Увеличить нагрузочную способность стабилизатора можно посредством увеличения мощности выхода встроенного операционного усилителя, однако вслед за этим увеличивается потребляемый стабилизатором ток. Поэтому разработчику приходится выбирать: или использовать в схеме сверхмаломощные стабилизаторы (например, серий STLQ или ST715 с потребляемым током в единицы микроампер, но с очень высокой инерционностью и большими просадками напряжения при резких изменениях тока нагрузки), или стабилизаторы среднего и высокого быстродействия, но с потреблением до сотен микроампер. В качестве альтернативы существуют стабилизаторы с режимами экономии энергии (например, LD39130S), которые при уменьшении тока нагрузки автоматически переключаются в микромощный режим. Аналогично работают многие современные микроконтроллеры (например, семейств STM8 и STM32) – у последних имеется два встроенных LDO-стабилизатора, один из которых работает в микромощном, а второй – в активном режиме, что обеспечивает высокую энергоэффективность во всех режимах работы и во всем диапазоне напряжения питания.
Рис. 2. Типовая схема включения LDO-стабилизатора
Таблица 1. Основные электрические характеристики LDO-стабилизаторов ST
- на максимальном выходном токе;
- на частоте 10 кГц;
- в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц;
- в скобках указаны значения для режима Green.
Микромощные LDO-стабилизаторы
Как известно, у многих схем с широким диапазоном напряжения питания при повышении напряжения увеличивается потребляемый ток, поэтому для увеличения срока службы комплекта батарей следует стабилизировать напряжение на минимально допустимом уровне, при котором еще не нарушается работа схемы [4]. Однако при этом нужно учитывать ток потребления самого LDO – он должен быть гораздо ниже той разницы, которую мы пытаемся сэкономить. Также нужно учитывать минимальное падение напряжения на стабилизаторе, так как чем оно выше – тем раньше у нас сядут батарейки. И если лет 20 назад разработчикам были доступны только микросхемы семейства КРЕН с типовым потребляемым током более 3 мА, то сейчас выбор гораздо шире.
Рис. 3. Внутренняя схема типового LDO-стабилизатора (STLQ015)
Рис. 4. Внутренняя схема LD39130S
Малошумящие стабилизаторы с высоким коэффициентом подавления пульсаций напряжения
Для некоторых устройств является критичным не только падение напряжения на канале стабилизатора, но и амплитуда шума и пульсаций в цепях питания. И если раньше для снижения пульсаций приходилось устанавливать на выходе стабилизатора полосовые LC-фильтры, то сейчас в большинстве случаев достаточно просто выбрать более малошумящий LDO-стабилизатор с высоким коэффициентом SVR.
Рис. 5. Внутренняя схема малошумящего стабилизатора LDLN015
Стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения
Рис. 6. LDO-стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения
Единственный способ увеличить КПД линейного регулятора – это уменьшить до минимума падение напряжения на канале регулирующего элемента. Особенно критично это для миниатюрных мощных регуляторов, где каждые дополнительные 50 мВ падения напряжения превращаются в сотни мВт выделяемого тепла, которое весьма сложно рассеивать в компактном корпусе современных устройств. Поэтому для питания таких схем компания STMicroelectronics предлагает разработчикам микросхемы с падением напряжения менее 100 мВ.
Рис. 7. Внутренняя схема LD3985 и LDS3985
Отдельного внимания заслуживает микросхема LDCL015 – при неплохих характеристиках и сверхнизком падении напряжения (до 70 мВ на максимальном токе и до 50 мВ при токе 100 мА) это один из немногих LDO-стабилизаторов, способных работать вообще без входного и выходного конденсаторов! Достичь этого удалось, используя схему на операционном усилителе с достаточным запасом по фазе при любой емкости выходного конденсатора. Но для улучшения динамических характеристик и снижения выходного шума рекомендуется поставить на входе и выходе стабилизатора конденсаторы емкостью от 0,1 мкФ (оптимально – 1 мкФ) с любым ESR.
Мощные стабилизаторы
Некоторые устройства (приемопередатчики, эхолоты, модули GSM, схемы с FPGA) нуждаются в довольно мощном и в то же время малошумящем источнике питания, поэтому для их питания, если нужна высокая энергоэффективность, обычно используют импульсный преобразователь с мощным LDO-стабилизатором на выходе. Учитывая обычно небольшое падение напряжения на канале такого стабилизатора, даже миниатюрная микросхема в корпусе DFN размером 3х3 мм способна без перегрева качественно стабилизировать напряжение при токе до нескольких ампер.
Одни из лучших в этой области – LD39050 (ток нагрузки до 0,5 А), LD39100 (до 1 А) и LD39200 (до 2 А) (рисунок 6). При значении падения напряжения менее 200 мВ они имеют превосходные характеристики – подавление пульсаций на критичных для мощных устройств частотах до 1 кГц достигает 70 дБ, а шум на выходе не превышает 100 мкВ (для LD39200 при токе нагрузки 10 мА – всего 24 мкВ, микросхема имеет промежуточный RC-фильтр). Микросхемы имеют значительный запас по току – у LD39050 ограничение тока происходит на уровне 0,8 А, у LD39100 – 2,5 А, а у LD39200 – 3,5 А. Это позволяет схеме выдерживать кратковременные значительные перегрузки. В дополнение к перечисленному LD39200 имеет защиту от обратного тока – когда выходное напряжение по какой-либо причине выше входного и ток начинает течь через паразитный диод регулирующего транзистора, микросхема переходит в режим ограничения тока. А в выключенном состоянии, при нулевом уровне на входе Enable, и если выходное напряжение больше нуля, LD39200 разряжает выходные конденсаторы небольшим током порядка нескольких микроампер.
Как и все мощные LDO-стабилизаторы, эти микросхемы предъявляют повышенные требования к трассировке печатной платы – входной и выходной конденсаторы должны быть расположены не далее 10 мм от выводов микросхем. Для улучшения теплоотвода необходимо предусмотреть под центральным контактом микросхемы полигон максимально возможной ширины, который через переходные отверстия соединяется со сплошной землей на нижнем слое.
Миниатюрные стабилизаторы
Глобальная миниатюризация устройств предъявляет новые требования к стабилизаторам, и LDO производства компании STMicroelectronics достойно их выдерживают – на рынке представлены стабилизаторы в корпусах STAMP и CSP размером от 0,47х0,47 мм (меньше макового зерна), и в пластиковом корпусе DFN размером от 1х1 мм (рисунок 8). Только благодаря переходу на такие корпуса промышленность смогла уменьшить современные мобильные устройства до действительно мобильных размеров.
Рис. 8. Сверхминиатюрные LDO-стабилизаторы
Также к разряду миниатюрных можно отнести рассмотренный ранее энергоэффективный стабилизатор LD39130 – микросхема имеет версию LD39130SJ в корпусе CSP размером 0,69х0,69 мм.
Стандартные LDO-стабилизаторы
Иногда к стабилизатору не предъявляется никаких особенных требований – подойдет практически любая микросхема с малым падением напряжения, и тогда разработчик просто сортирует по цене список вариантов. Рассмотрим семейства недорогих стабилизаторов производства компании STMicroelectronics, которые способны на равных конкурировать с предложениями от других производителей.
Рис. 9. Внутренняя схема LDK120 и LDK130
Заключение
LDO-стабилизаторы прочно заняли свое место под солнцем, вытеснив из низковольтных схем классические линейные стабилизаторы. Только с их помощью можно с минимальными затратами увеличить срок службы батарей миниатюрного устройства, одновременно обеспечив его компоненты стабилизированным питанием. Компания STMicroelectronics не останавливается на достигнутом и анонсирует новые микросхемы с еще лучшими характеристиками.
LDO: микросхема линейного стабилизатора низкого напряжения
LDO - это регулятор низкого отсева, который является своего родаНизкий перепад давления Линейный регулятор. Это относительно традиционного линейного регулятора. Традиционные линейные регуляторы напряжения, такие как микросхемы серии 78XX, требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2
3 В выше выходного напряжения, иначе они не будут работать должным образом. Но в некоторых случаях такие условия, очевидно, слишком жесткие, например, от 5 до 3,3 В, разность напряжений между входом и выходом составляет всего 1,7 В, что, очевидно, не соответствует условиям работы традиционных линейных регуляторов. В ответ на эту ситуацию производители микросхем разработали микросхемы преобразования напряжения типа LDO.
Линейный регулятор: используется в егоЛинейный регион Транзистор или полевой транзистор, работающий внутри, вычитает избыточное напряжение из приложенного входного напряжения для получения регулируемого выходного напряжения.
Падение напряжения: Относится к минимальному значению разности между входным напряжением и выходным напряжением, требуемым регулятором для поддержания выходного напряжения в пределах 100 мВ выше и ниже его номинального значения.
Регуляторы с положительным выходным напряжением LDO (с малым падением напряжения) обычно используют в качестве PNP силовые транзисторы (также называемые проходными устройствами) .Этот транзистор обеспечивает насыщение, поэтому регулятор может иметь очень низкое падение напряжения, обычно около 200 мВ. Для сравнения, падение напряжения традиционного линейного регулятора с использованием сложных силовых транзисторов NPN составляет около 2 В. LDO с отрицательным выходом использует NPN в качестве передающего устройства, и его режим работы аналогичен режиму PNP-устройства с положительным выходом LDO.
Принцип схемы LDO в основном такой же, как и в цепи последовательного стабилизатора напряжения, за исключением того, что транзистор заменен полевой лампой.
LDO регуляторы - тип линейных регуляторов напряжения, отличающихся малым падением напряжения на регулирующем элементе. Один из главных параметров - падение напряжения (dropout) VDROP, определяется как минимальное напряжение между входом и выходом стабилизатора, при котором схема стабилизации сохраняет работоспособность. В большинстве методик тестирования это напряжение измеряется при уменьшении входного напряжения VIN, когда напряжение на выходе VOUT снижается на 100 мВ относительно нормального режима работы схемы стабилизации (когда VIN = VOUT +5 В). В обычном регуляторе используется составной n-p-n транзистор, работающий в линейной области. В LDO регулирующим элементом является один p-n-p транзистор , поэтому минимальное падение напряжения на нем равно напряжению насыщения коллектор-эмиттерного перехода этого транзистора. В некоторых микросхемах LDO регуляторов используются полевые транзисторы . В любом случае напряжение VDROP зависит от тока нагрузки и температуры перехода (открытого канала). И меются несколько групп приборов в линейке LDO регуляторов , например, у National Semiconductor кроме стандартных регуляторов, pin-to-pin совместимых с серией 78хх и LM317, имеются несколько групп приборов, ориентированных на конкретные области применения.
Стабилизаторы отрицательного напряжения. Представлены двумя микросхемами LM2990 (фиксированные значения выходных напряжений: -5В; -5,2В; -12В;-15В), LM2991 (регулируемый -3…-24 В). Отличаются самым большим значением VDROP в семействе LDO регуляторов - около 0,6 В при наг рузке в 1 А.
Многоканальные. Двухканальные LM9072; LM9073; LP3986 LP2966 LP2967 LP2956, трехканальные, так называемые "Microprocessor Power Supply System (MPSS) LP2984 - оптимальное решение для схем питания микропроцессорных систем с током потребления до 600 мА. Все три канала имеют фиксированное напряжение 5В. Реализован канал питания микропроцессора - 500 мА, канал питания периферийных устройств - 100 мА и канал standby memory с током нагрузки 5 мА. Микросхема имеет вывод сброса микропроцессора. Пятиканальные "System Power Manager Regulator" - LP3927. Применяется в схемах питания переносных устройств. Реализованы два канала по 200 мА, два по 150 мА и один 100 мА.
С ультранизким падением напряжения VDROP. LP3881…83, LP3891…93, LP 2957, LP2980, LP3961…63. Применяются в многоканальных схемах питания, в случаях, когда необходим высокий КПД линейного регулятора, в устройствах с батарейным питанием. Наименьшее значение VDROP имеют микросхемы LP3881…83 - 110 мВ при токе нагрузки 1,5 А и 210 мВ при токе 3 А.
Прецизионные. Регуляторы с относительной погрешностью поддержания выходного напряжения 0,5 %. LP2980, LP2950AC, LP2951AC, LP2986A…87A, LP2952A…57A, LМ3411A.
Квази LDO (QLDO). LM1084, LM1085, LM1086, LM3480, LM3490, LM1117. Занимают промежуточное положение между классическими линейными регуляторами 78хх и LDO. Если в классическом линейном регуляторе используется составной n-p-n транзистор , то в QLDO - один n-p-n транзистор. Поэтому величина VDROP у QLDO меньше на величину падения напряжения открытого база-эмиттерного перехода и составляет около 1,2 В. Применяются для замены регуляторов серии 78хх.
С функциями контроля напряжений - LDO регуляторы, имеющие дополнительные выходы "Power Good" или "Delayed Reset" LMS5258, LP2986, LP3988, LP8358. Микросхемы с выводом "Power Good" отслеживают величину напряжения на выходе и при VOUT = (0,97-0,89)VOUT NOM на выходе "PG" с задержкой формируется сигнал логической единицы.
Контроллеры - микросхемы для реализации LDO - регуляторов с внешним биполярным или полевым транзистором. LM3411, LP2975, LM3460. Позволяют реализовать регуляторы напряжения с большими токами нагрузки.
Читайте также: