Особливості застосування LDO-стабілізаторів

Основні параметри та особливості застосування LDO-стабілізаторів

У статті розглянуто основні параметри та особливості застосування LDO-стабілізаторів.

К. Мараско

LDO-стабілізатор або low-dropout regulator — лінійний стабілізатор напруги з малим падінням напруги на регулюючому транзисторі. Такі стабілізатори мають широкий діапазон як вхідних, так і вихідних напруг і забезпечують велику навантажувальну здатність. Більшість сучасних ІМС для керування електроживленням (Power Management ICs — PMICs) містять LDO-стабілізатори. Ці ІМС знаходять широке застосування в портативній аудіо-/відеоапаратурі. Однак у зв’язку зі швидким розвитком такої апаратури ІМС для керування електроживленням, як правило, не можуть забезпечити зростаючу кількість рівнів напруги живлення, що призводить до використання в портативних пристроях автономних LDO-стабілізаторів. Застосування лінійних LDO-стабілізаторів у високоякісній аудіо-/відеоапаратурі дозволяє підвищити ККД джерел живлення і знизити рівень шумів та електромагнітних перешкод.

Базова функціональна схема LDO-стабілізатора

Базова функціональна схема LDO-стабілізатора (рис. 1) містить джерело опорної напруги (ІОН), підсилювач розузгодження (УР), дільник напруги в ланцюзі зворотного зв’язку та регулюючий транзистор (РТ). Вихідний струм LDO-стабілізатора протікає через регулюючий транзистор, керований підсилювачем розузгодження. Підсилювач порівнює напругу на виході ІОН з напругою на виході дільника і посилює різницю цих напруг таким чином, щоб у кінцевому підсумку звести її до мінімуму.

Принцип роботи та стійкість

Зі сказаного можна зробити висновок, що LDO-стабілізатор являє собою слідкуючу двополюсну систему зі зворотним зв’язком. Перший полюс формується внутрішніми вузлами стабілізатора: підсилювачем розузгодження та регулюючим транзистором, положення другого полюса залежить від величини ємності навантаження та вихідного фільтра. Стійкість роботи стабілізатора і його здатність швидко відпрацьовувати зміну опору навантаження залежать, насамперед, від величини вихідної ємнісної навантаги та коефіцієнта підсилення підсилювача. Чим більша ємність вихідного конденсатора, тим менший рівень шумів на виході LDO-стабілізатора і менший вплив перехідних процесів, викликаних зміною опору навантаження. Однак, чим більша ємність вихідного конденсатора, тим довше LDO-стабілізатор виходить на робочий режим. Слід зазначити, що LDO-стабілізатори компанії Analog Devices розроблені з урахуванням указаних вище суперечливих вимог, що дозволяє розробнику вибрати необхідну ІМС стабілізатора в повній відповідності з умовами її застосування.

ККД та теплові втрати LDO-стабілізаторів

Основною вимогою до LDO-стабілізаторів є високий ККД, що визначається співвідношенням

З (1) випливає, що чим менший струм споживання Iпотр, тим більший ККД. Однак для сучасних LDO-стабілізаторів вихідний струм у багато разів перевищує струм споживання, тому при виборі ІМС стабілізатора ним, як правило, нехтують. Виходячи з цього, (1) набуде вигляду

Оскільки струм споживання сучасних LDO-стабілізаторів дуже малий, основні втрати енергії в ньому пов’язані з виділенням тепла. Потужність розсіювання LDO-стабілізаторів РLDO можна визначити з виразу

Таким чином, застосування LDO-стабілізаторів у джерелах живлення дозволяє забезпечити високий ККД, стійку роботу в умовах змінюваного навантаження, малі часовий і температурний дрейфи технічних характеристик. Найбільш доцільно використовувати LDO-стабілізатори в джерелах живлення, в яких первинна напруга формується акумуляторами. Так, наприклад, іонно-літієва акумуляторна батарея в зарядженому стані має на виході напругу 4,2 В, а в розрядженому — 3,0 В. Якщо підключити її до LDO-стабілізатора з вихідною напругою 2,8 В, то в разі зарядженого акумулятора ККД стабілізатора становитиме 67%, а в разі розрядженого — 93%. Використання лінійних LDO-стабілізаторів на виході імпульсних стабілізаторів дозволяє суттєво покращити параметри джерела живлення практично без втрати ККД. Так, якщо до виходу імпульсного стабілізатора з вихідною напругою 3,3 В підключити лінійний LDO-стабілізатор з ККД 85%, загальний ККД такого джерела живлення при ККД імпульсного стабілізатора 95% становитиме 81%.

Додаткові функції сучасних LDO-стабілізаторів

Наявність у LDO-стабілізаторі дозвільного входу Enable (EN) дозволяє керувати часом ввімкнення/вимкнення джерела живлення в системах з багаторівневими напругами живлення. «М’який» старт дозволяє зменшити кидок пускового струму в момент ввімкнення джерела живлення, енергозберігаючий режим дає можливість збільшити ресурс батарейного живлення. Крім того, сучасні LDO-стабілізатори мають захист від перегріву, перенапруги на вході та перевантаження. LDO-стабілізатор може бути автоматично вимкнений, якщо його напруга живлення знизиться нижче допустимого значення. На рис. 2 наведена типова функціональна схема багаторівневого джерела живлення, виконаного на основі LDO-стабілізаторів.

Застосування LDO-стабілізаторів ADP170, ADP121 та ADP130

Лінійні LDO-стабілізатори типу ADP170 і ADP1706 призначені для побудови джерел живлення мікропроцесорних пристроїв, включаючи ядро (Core), пам’ять (Memory) та I/O-вузли. Такі стабілізатори підтримують високий ККД та забезпечують стабільний вихідний струм при швидкій зміні навантаження. Це особливо важливо при формуванні напруги живлення мікропроцесорного ядра, тактова частота якого часто змінюється і відповідно змінюється споживаний струм, що дозволяє збільшити ресурс батарейного живлення.

Цифрові пристрої при роботі на високій частоті можуть формувати в шині живлення короткі імпульси позитивної та негативної полярності. Це може призвести до короткочасної втрати стійкості стабілізатора напруги і, як наслідок, збою мікропроцесорного пристрою. Слід зазначити, що ступінь стійкості лінійних стабілізаторів до імпульсних змін навантаження не завжди вказана в технічній документації (data sheet). Тому при проектуванні джерел живлення мікропроцесорних пристроїв необхідно перевірити, чи забезпечує вибраний LDO-стабілізатор стійку роботу в умовах імпульсної зміни опору навантаження.

Сучасні LDO-стабілізатори мають малий струм споживання, у них передбачений «сплячий» режим, струм споживання в якому не перевищує 1 мкА. При переході в активний режим LDO-стабілізатори компанії Analog Devices мають малий час затримки ввімкнення. Крім того, в них є ланцюги захисту від виходу напруги Uвих за встановлені межі.

Якщо лінійні LDO-стабілізатори призначені для побудови джерел живлення аналогових та високочастотних пристроїв, вони повинні забезпечувати малий рівень шумів на виході та високий коефіцієнт ослаблення нестабільності живлення. До таких стабілізаторів належать ІМС компанії Analog Devices типу ADP121 та ADP130.

Вибір параметрів LDO-стабілізаторів

При виборі діапазону вхідних напруг LDO-стабілізатора необхідно враховувати, що мінімальна вхідна напруга повинна бути більшою за падіння напруги на регулюючому транзисторі стабілізатора плюс напругу на виході джерела живлення. Так, наприклад, якщо вихідна напруга LDO-стабілізатора повинна бути не менше 2,8 В, а падіння на регулюючому транзисторі при максимальному струмі навантаження становить 150 мВ, то вхідна напруга LDO-стабілізатора повинна бути не нижче 2,95 В.

Споживаний LDO-стабілізатором струм визначається як різниця між вхідним струмом і струмом навантаження. Відзначимо, що, якщо LDO-стабілізатор має регульовану зовнішнім дільником вихідну напругу, то струм через цей дільник також потрібно враховувати при розрахунку споживаного стабілізатором струму.

Компанія Analog Devices випускає LDO-стабілізатори, що відрізняються високою точністю. Як правило, похибка цих стабілізаторів не перевищує ±1% при 25 °С. Похибка вихідної напруги залежить від величини вхідної напруги, струму навантаження та робочої температури. Графіки цих залежностей наведені в технічній документації.

Більшість LDO-стабілізаторів стійкі до повільного зміни струму навантаження, однак при швидкій зміні опору навантаження на виході стабілізатора можуть виникнути перехідні процеси. Графіки залежностей вихідної напруги від швидкості зміни струму навантаження, як правило, наведені в технічній документації.

Типове падіння напруги на регулюючому транзисторі становить не більше 100 мВ. Максимальне значення цього параметра визначається при максимальних струмі навантаження та температурі навколишнього середовища.

Час ввімкнення LDO-стабілізатора вимірюється від моменту його запуску і до моменту досягнення рівня вихідної напруги 90% номінального значення.

Щоб визначити граничний струм навантаження LDO-стабілізатора, необхідно збільшувати його значення доти, доки вихідна напруга стабілізатора не знизиться до 90% номінального.

Більшість сучасних LDO-стабілізаторів має захист від перегріву. Якщо температура навколишнього середовища перевищить задане значення, він автоматично переходить у режим спокою. Вбудований у стабілізатор температурний датчик має деякий гістерезис, що забезпечує надійне охолодження ІМС стабілізатора до його автоматичного повернення в активний режим.

Як зазначалося вище, багато ІМС LDO-стабілізаторів мають ланцюги зовнішнього ввімкнення/вимкнення, що дозволяє створювати на їх основі багаторівневі джерела живлення з індивідуальним часом ввімкнення кожного.

При зниженні вхідної напруги нижче допустимого рівня більшість LDO-стабілізаторів автоматично переходять у «сплячий» режим.

LDO-стабілізатори мають вбудоване опорне джерело типу band-gap, що забезпечує малий рівень шумів на виході. Так, наприклад, стабілізатор типу ADP121 має на виході середньоквадратичний рівень шуму не більше 40 мкВ у смузі частот від 10 до 100 кГц при Uвих=1,2 В.

Коефіцієнт ослаблення нестабільності живлення сучасних LDO-стабілізаторів становить не менше 70 дБ при частоті пульсацій від 1 до 10 кГц. У технічній документації на LDO-стабілізатори, як правило, містяться рекомендації щодо вибору типу вхідного/вихідного конденсаторів і величини їх ємності.

У більшості LDO-стабілізаторів є вбудований діод між виводами Uвх і Uвих, увімкнений паралельно регулюючому транзистору. Якщо Uвх > Uвих, цей діод запертий, якщо Uвх < Uвих, діод відпирається і пропускає струм від навантаження до входу, шунтуючи тим самим зворотний струм, який може вивести з ладу регулюючий транзистор.

У деяких LDO-стабілізаторах, призначених для живлення мікропроцесорних або високочастотних пристроїв, передбачений режим «м’якого» пуску, що захищає стабілізатор від кидків великих пускових струмів. Цей режим задається зовнішнім конденсатором, підключення якого до спеціальних виводів ІМС (див., наприклад, data sheet на ІМС ADP1740) затягує вихід стабілізатора на робочий режим.

Висновки

Лінійні LDO-стабілізатори є ідеальними пристроями для побудови джерел живлення як аналогових, так і цифрових пристроїв.

При проектуванні джерел живлення на основі LDO-стабілізаторів необхідно враховувати безліч параметрів, наведених у технічній документації у вигляді таблиць і графіків.

Для прискорення процесу проектування джерел живлення на основі LDO-стабілізаторів та оптимального вибору ІМС для таких пристроїв рекомендується використовувати віртуальні засоби моделювання та проектування компанії Analog Devices — ADIsimPower.