Интегральные стабилизаторы напряжения. Часть 1.
Очень часто при изготовлении всевозможных электронных поделок приходится применять различного рода стабилизаторы напряжения. Самый простой вариант это интегральные стабилизаторы на основе специализированных микросхем. Широкое распространение получили стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением серий 78хх для стабилизации положительного напряжения и 79хх для отрицательного. Так же очень широко применяются микросхемы с возможностью установки выходного напряжения серий LM317 для плюса и LM337 для минуса.
Не вдаваясь глубоко в технические особенности работы данных стабилизаторов, хотел бы осветить один из важных аспектов, который, на мой взгляд, необходимо знать, применяя тот или иной вид стабилизатора.
Речь в данной статье пойдет о напряжении. Хотел бы подчеркнуть особенно, не только напряжение на выходе микросхемы, но и НАПРЯЖЕНИЕ НА ЕЕ ВХОДЕ имеет огромное значение. Перечисленные выше стабилизаторы, по своей природе являются понижающими, это означает, что напряжение на выходе всегда будет МЕНЬШЕ чем напряжение на входе.
Для нормальной работы стабилизаторов серий 78хх и 79хх судя по datasheet-ам ( это такие, условно говоря, листки в которых прописываются все характеристики электронных компонентов, их условия применения, хранения, транспортировки, монтажа и т.д.) напряжение на входе должно отличатся от напряжения на выходе не меньше чем на 2 вольта. Т.е. падение напряжения на самой микросхеме составляет 2 вольта (на английском данный параметр называется Dropout Voltage). Это означает, что производитель гарантирует стабильную работу своей микросхемы с сохранением всех ее параметров ТОЛЬКО при условии, что входное напряжение будет больше выходного на 2 вольта.
Для микросхем серий LM317 и LM337 данный параметр на прямую в datasheet не прописан, но его можно вычислить, если взглянуть на строку Reference Voltage.
Зная, что производитель заявляет диапазон выходных напряжений от 1,2В до 37В, а измерения проводит при входном напряжение от 3В до 40В, можно посчитать, что минимальное падение напряжения будет при минимальном выходном напряжении 1,2В и составит 1,8 вольт (3В-1,2В) и максимальное, соответственно при максимальном выходом напряжении 37В и составит 3 вольта соответственно. Для всех остальных выходных напряжений из этого диапазона параметр Dropout Voltage будет находиться внутри этого диапазона, и зависеть от условий эксплуатации микросхемы.
Что это означает на практике, применительно к работе данных интегральных стабилизаторов в бортовой сети автомобиля? А означает это то, что для того чтобы получить на выходе любой из вышеперечисленных микросхем напряжение, например, 12 вольт, на ее вход необходимо подать напряжение не ниже 14 вольт, только тогда данная микросхема будет работать именно так, как она должна по данным производителя.
Но здесь возникает небольшая проблема, при выключенном двигателе полностью заряженный аккумулятор выдает всего 12,5 вольт, что автоматически означает, что при включенном зажигании и не работающем двигателе микросхема работать нормально не будет(((.
При заведенном же двигателе, исправный генератор выдает 14,5 вольт, что достаточно для работы любой из этих микросхем при её стандартной схеме включения (о схемах включения я планирую рассказать в другой раз).
Какие выходы из подобной ситуации можно предложить. Первое что приходит на ум, это использовать стабилизаторы на 9 или 10 вольт, т.е. 7809, 7810. Или если говорить о LM317, то необходимо устанавливать напряжение на уровне 10 вольт.
Может возникнуть вопрос, как поступить, если 10 вольт мало, а необходимо именно 12 вольт, независимо от того, заведен двигатель или нет.
Если возникает такая ситуация, то необходимо использовать специальные серии микросхем с низким падением напряжения (low dropout voltage). Например, существует микросхема 78R12, у которой максимальное падение напряжение составляет всего 0,5 вольта и, если аккумулятор исправен и полностью заряжен, то можно без особых проблем получить требуемые 12 вольт на выходе стабилизатора в независимости от того заведен двигатель или нет.
What is the Dropout Voltage of a Regulator?
The Dropout Voltage of a regulator is the amount of voltage that a regulator needs to be fed above its rated output voltage to maintain the output voltage.
Just as a brief review, a voltage regulator is a device which accepts an input voltage which it regulates down to the output voltage which it is rated for. In order for a voltage regulator to output its rated voltage, it must be fed a voltage that is higher than its rated voltage. The amount of voltage higher that the input voltage must be than the output voltage is the dropout voltage of the regulator.
For example, a LM7805 voltage regulator is a regulator that outputs 5 volts. However, in order to give out 5 volts, it needs to be fed a higher voltage as its input. The LM7805 needs at least 2 volts higher than the 5 volts to do provide the 5 volts. Therefore, it needs 7 volts as its input. Thus, its dropout voltage is 2 volts, since 5 volts + 2 volts= 7 volts.
Although voltage regulators need higher voltages as their inputs, higher is not better above a certain value. Normally the voltage that is provided as the input should be limited to 3 volts higher than the output voltage. So for a 5-volt regulator, no more than 8 volts should be applied as the input voltage. Although voltage regulators can withstand much higher voltages, the difference between the input and output voltage appears as heat. The greater the difference between the input and output voltage, the more heat is generated. If too much heat is generated, through high input voltage, the regulator can overheat. If the regulator does not have a heat sink to dissipate this heat, it can be destroyed and malfunction. Thus, it is recommended to follow the dropout voltage given by the manufacturer for the regulator on the datasheet. Too low a voltage as the input and the regulator won’t output its rated voltage or too high and the voltage regulator may dissipate too much heat. The dropout voltage, therefore, is crucial for getting the input voltage in the right range.
Что такое LDO регуляторы?
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.
Dropout
Dropout is the smallest difference between a regulator’s input and its output voltage, which is required to maintain regulation and enable the regulator to provide rated voltage and current. It is important to have a low dropout voltage for increased efficiency and minimal heat dissipation.
Linear voltage regulators require inputs which are higher than the rated output voltages. As the input voltage decreases towards the desired output voltage, it leads to condition of insufficient voltage which causes the regulator to drop out and provide unregulated output.
As an example, consider a 5v regulator with a 2V dropout voltage, for this to give a regulated output, the input voltage must be least equal to the output voltage (5V) plus the dropout voltage (2), which is 7V, any input below 7V will result into unregulated voltage output.
Linear regulators have much bigger heat losses and are less efficient due to larger dropout voltages. The excess voltage is usually dropped across the regulator and dissipated as heat. On the other hand the switching regulators are more efficient since they deliver power to the load by rapidly switching on and off.
In design processes the dropout voltage is crucial and it is important to follow manufacturer’s recommended dropout voltage provided in the datasheets. This enables one to select the right input voltage and avoid situations such as having a low input in which the regulator will be unable to provide the rated voltage, or too high input resulting in too much heat dissipation and possibly destroying the regulator.
In practical applications, the dropout is said to have been reached when the output voltage is drops below the design value by 100mV. The dropout voltage is sometimes affected by the junction temperature and the load current and manufactures usually specify the range of load current and operating temperature in which the dropout is applicable.
The dropout voltage in linear regulators is dependent on the load and is higher at high loads since more voltage is dropped across the regulators circuitry internal resistance. The low-dropout regulators however do not have this problem and maintains the rated output voltage over a wide range of load currents and input voltage, in addition to having low dropout voltages with typical values of 80mv at 2A.
More efficiency is achieved with the LDOs which have small voltage dropouts and able to provide stable voltage irrespective of load and line variations, temperature changes and time.