Jenseits des Datenblatts: Praxistests von Spannungsreglern

In letzter Zeit habe ich hart daran gearbeitet, verschiedene elektronische Komponenten zu testen. Sie fragen sich wahrscheinlich, warum ich nicht einfach die Datenblätter lese und Zeit und Geld spare. Die Antwort ist, dass Datenblätter öfter, als sie sollten, nicht alle Details enthalten, die Sie benötigen, um weise für Ihren spezifischen Anwendungsfall auszuwählen. Alternativ könnte das Datenblatt eine Komponente günstiger darstellen, als ihre Leistung in der realen Welt ist. Ich möchte wissen, wie meine Komponentenauswahl in realen Tests für die Projekte, die ich mache und baue, abschneidet.

In einem früheren Beitrag habe ich die Top 10 Schaltreglermodule hervorgehoben, die meinen Testprozess bestanden haben. Dieses Mal werde ich Ihnen erzählen, wie die linearen Spannungsregler, die ich getestet habe, abgeschnitten haben.  

Lineare Regler vs. Schaltregler

Wie lineare Regler funktionieren

Lineare Spannungsregler ermöglichen eine Step-Down-Konvertierung von einer Spannung zur anderen. Tief unter ihrer Epoxidharzschale findet man einen nicht-invertierenden Komparator-Eingang, der auf eine spezifische Bandlückenspannung referenziert ist, einen invertierenden Komparator-Eingang, der die Ausgangsspannung überwacht, und einen Transistor, der mit dem Komparatorausgang verbunden ist. Wenn die Eingangsspannung leicht variiert, passt die Hochverstärker-Komparatorschaltung die Transistor-Bias-Spannung sofort an, was die Ausgangsspannung und den Strom unmittelbar beeinflusst. Kurz gesagt, lineare Spannungsregler sind außerordentlich gut darin, eine konstante Ausgangsspannung zu erzeugen, unabhängig von der Eingangsspannung. Diese schnelle Reaktion verleiht ihnen ein sehr hohes Power Supply Rejection Ratio (PSRR), was sie perfekt für den Einsatz mit empfindlichen nachgeschalteten Schaltungen (Sensoren, ADC, usw.) macht.

Aber lineare Regler sind nicht perfekt und sie sind keine nuancierten Geräte. Jeder Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wird innerhalb des Reglers als Wärme abgeführt. Zum Beispiel wird ein 5V @ 1A Ausgang von einem 12V Eingang (12 V - 5 V)*(1 A) = 7 W Wärme erzeugen. 7 Watt Wärmeenergie für 5 Watt elektrische Energie ist kein guter Tausch.

Wie Schaltregler funktionieren

Schaltregler oder Schaltnetzteile (SMPS) nutzen hochfrequentes Schalten in Kombination mit Energiespeicherkomponenten wie Kondensatoren und Induktoren, um die Eingangsspannung zu reduzieren oder sogar zu erhöhen. Ihr Hauptmerkmal ist die Effizienz, wobei lineare Regler an Effizienz verlieren, wenn der Bereich zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zunimmt; Schaltregler können jedoch über einen weiten Bereich von Spannungen und Lasten eine hohe Effizienz beibehalten.

Schaltregler funktionieren, indem sie die Eingangsspannung zum Schaltkreis schnell ein- und ausschalten; durch Steuerung des Tastverhältnisses (oder des Verhältnisses von Ein- zu Ausschaltzeit) kann die Ausgangsspannung angepasst werden. Während der Reglerschalter eingeschaltet ist, wird Energie als magnetisches Feld in einem Induktor gespeichert und dann als geregelte Spannung an den Ausgang abgegeben. Die Kondensatoren glätten diese schnell ansteigende und fallende Spannung und liefern so einen relativ glatten Ausgang. Dieser Prozess erhöht die Effizienz im Vergleich zu einem linearen Regler erheblich, da die überschüssige Energie nicht in den Schaltkreis eingebracht wird und nicht in Wärme umgewandelt werden muss.

Leider gibt es auch einige Nachteile bei diesem Ansatz. Da Schaltregler zyklusweise arbeiten, können sie nicht so schnell auf Last- oder Eingangsspannungsänderungen reagieren wie ein Linearregler. Sie erleben oft momentane Spannungsabfälle oder -spitzen, wenn sich die Last ändert. Da die Eingangsspannung während der "Ein"-Zeit des Schalters über eine Spule mit dem Ausgang verbunden ist, kann Störungen in der Eingangsspannung viel leichter zum Ausgang durchdringen als bei einem Linearregler. Zusätzlich führt die Schaltaktion des Reglers zu eigenen Störgeräuschen; wenn die Spule Energie speichert und freisetzt, tritt eine Spannungsschwankung bei der Schaltfrequenz auf.

Es sei angemerkt, dass es mehrere Topologien von Schaltreglern gibt, dies ist also eine sehr allgemeine und breite Übersicht über ihre Funktionsweise.

Kombination von Schalt- und Linearspannungsreglern

Wenn Sie einen hohen Spannungsunterschied zwischen dem Eingangsspannungsbereich und der Ausgangsspannung haben und eine störungsfreie Versorgung benötigen, können Sie ein SMPS in Reihe mit einem linearen Regler verwenden. Das SMPS reduziert die Spannungsversorgung auf eine geeignetere Eingangsspannung für den linearen Regler, der eine störungsarme Versorgungsleitung bereitstellt. Angenommen, Sie haben einen 3,3 V Sensor, der von einer 12 V Batterie gespeist wird. In diesem Fall könnten Sie einen Schaltregler verwenden, um von 12 V auf 4,5 V herunterzuregeln und dann einen linearen Regler, um von 4,5 V auf 3,3 V zu gehen. Ein Beispiel dafür können Sie in einem realen Schaltkreis sehen, indem Sie meinen Artikel und mein Video anschauen, in dem ich eine Dual-Rail-Versorgung aus einer 9V Batterie gebaut habe.

Niederspannungs-Dropout (LDO)

Physik setzt Grenzen – es gibt einen Punkt, an dem Schalter und lineare Spannungsregler nicht mehr korrekt funktionieren können. Dieser Punkt hängt in der Regel in irgendeiner Weise von den Stromanforderungen der nachgeschalteten Schaltung ab. Angenommen, Sie planen, einen LDO-Linearegler zu verwenden, um einem Gerät, wie einem Mikrocontroller, von einer stromaufwärts gelegenen Quelle mit abnehmender Spannung, wie einer Batterie, eine stabile Spannung zu liefern. In diesem Fall möchten Sie herausfinden, an welchem Punkt Ihre Schaltung nicht mehr funktioniert, eine Möglichkeit finden, diese Spannung zu erfassen und die Schaltung abzuschalten, bevor der Betrieb unzuverlässig wird.

Testen der Leistung unter realen Bedingungen

78L09

Ich habe fünf 100 mA Regler vom Typ 78L09 von Onsemi, STMicroelectronics und Texas Instruments getestet. Ich erwartete, dass die Teile aufgrund ihrer identischen Teilenummern austauschbar wären (sehen Sie die Ergebnisse hier). Und es ist gut, dass ich das getan habe, denn sie leisten definitiv nicht alle gleich!

Ausfallspannung

Die Dropout-Spannung ist die niedrigste Eingangsspannung, die es den Spannungsreglermodulen ermöglicht, wie spezifiziert zu funktionieren.  Das bedeutet, für eine geregelte Ausgangsspannung von 9 V benötigt der On Semi MC78L09ABPRAG eine Mindesteingangsspannung, die 9 V + 1,63 V = 10,63 V beträgt.  Es gibt einen Unterschied von 170 mV zwischen der Dropout-Spannung der besten und schlechtesten Bauteile, der Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 benötigt 10,8 V, um ordnungsgemäß zu funktionieren.  Das bedeutet, dass ich entweder meine Lösungen für die schlechtestmögliche Bauteilwahl konstruieren muss oder für das beste Bauteil konstruieren und keine Alternativen akzeptieren darf.  Aber so oder so, ich lasse etwas auf dem Tisch liegen.  Wenn ich für das schlechtestmögliche Bauteil konstruiere, werde ich zusätzliche Energie als Wärme verbrauchen, was mein Energiebudget verringert und unnötigerweise die Batterielebensdauer verkürzt.  Wenn ich für das bestmögliche Bauteil konstruiere, könnte ich mich selbst an zusätzliche Kosten binden oder schlimmer noch, an einen Bauteilmangel.  

Wenn ich für ein Unternehmen arbeiten würde, bei dem der Einkaufsleiter sagt: „Ist es in Ordnung, den 78L09 von Texas Instruments durch den 78L09 von OnSemi zu ersetzen? Es würde insgesamt etwa 200 Dollar bei der Produktion sparen.“ Die Antwort sollte ein einfaches „Ja“ sein, aber ohne das alternative Bauteil zu testen, könnten Sie feststellen, dass Ihre Schaltung nicht wie erwartet funktioniert, abhängig davon, wie genau Sie um die Dropout-Spannung, die thermische Leistung oder die Rauschleistung herum entworfen haben.

Effizienz

Wenn Sie die Effizienz bei mehreren Eingangsspannungspunkten überprüfen, könnten Sie einen Unterschied von 10 bis 15 Prozent bei sehr geringen Lasten sehen. Das mag nicht viel erscheinen, aber wenn Sie von einer Batterie betrieben werden oder ein Gehäuse haben, das thermische Energie nicht leicht in die Umgebung abgeben kann, könnte diese geringfügige Änderung die Lebensdauer und den Arbeitszyklus Ihres Designs nachteilig beeinflussen.

Glücklicherweise liegen diese Regler bei Erreichen ihrer maximalen Strombewertungen alle innerhalb weniger Prozent voneinander. Wir verlieren das Bauteil von Texas Instruments bei seiner maximal bewerteten Spannung von 24 V. Im Vergleich dazu können die anderen vier Regler bis zu 30 Volt Eingangsspannung verarbeiten.

Bei einem Eingang von 11,9V und einer Last von 8 Milliampere maß ich zwischen 6 und 18 Millivolt Rauschen über alle Komponenten hinweg. Sobald wir bei einer Last von 30 Milliampere sind, liegt jedes der Regler innerhalb eines Millivolts RMS-Rauschen voneinander. Angenommen, Sie versorgen ein stromsparendes und empfindliches Gerät wie einen Hochverstärker mit diesen Reglern. In diesem Fall könnte der Unterschied im Rauschen zwischen den Reglern nicht ideal sein, wenn Sie zu einem alternativen Teil wechseln, ohne es zuerst zu testen.

Obwohl ich nicht empfehlen würde, einen linearen Regler mit der maximalen Eingangsspannung zu betreiben, die er verarbeiten kann, kann das Rauschen bei 30 Volt Eingang zwischen den verschiedenen Herstellern erheblich variieren.

Welchen Regler sollten Sie also wählen? Ich schrieb eine sehr lange SQL-Abfrage, um alle Testdaten zusammenzufassen, bemerkenswerte Zahlen hervorzuheben und die von mir getesteten Regler zu bewerten. Die Bewertungen bevorzugen eine niedrige durchschnittliche Dropout-Spannung, hohe Effizienz und geringes Rauschen.

Auf den Positionen eins und zwei haben wir den Microchip MCP1700 und MCP1702. Ich habe diese in ihren 3,3- und 5-Volt-Varianten getestet. Diese Regler haben einige der niedrigsten Spannungsabfälle aller von mir getesteten Regler, was sie sehr gut abschneiden lässt. Ihre Geräuschleistung ist ebenfalls ausgezeichnet, aber wie bei den Schaltreglern, die wir uns das letzte Mal angesehen haben, benötigen sie eine Mindestlast für einen stabilen Betrieb; sie ist nur viel niedriger als bei ihren Schaltgegenstücken. 

Die Geräuschdaten wurden mit meinem Rigol MSO5000-Serien-Oszilloskop gesammelt, das einen relativ hohen Rauschpegel hat. In Zukunft plane ich, alle Regler erneut mit meinem Rohde und Schwarz MXO44 oder Keysight MXR zu testen, die wesentlich niedrigere Rauschpegel haben. 

Effizienz ist der andere Schlüsselparameter für das Ranking, und die Microchip MCP1700-Serie schneidet... für lineare Regler sehr gut ab. Die Effizienzdiagramme zeigen deutlich den linearen Zusammenhang zwischen Eingangsspannung und Effizienz.

Als Nächstes in der Rangliste haben wir den STMicroelectronics LF50CV, einen Fünf-Volt-Halbampere-Regler. Das Diagramm könnte den Anschein erwecken, als wäre die Dropout-Spannung höher als beim MCP1702 Fünf-Volt-Regler. Allerdings kann dieser Regler die doppelte Stromstärke liefern - bei den maximal 250mA des MCP1702 ist der LF50CV ein leicht besserer Performer in Bezug auf Dropout. Effizienztechnisch ist es ziemlich dasselbe wie beim MCP1702, was wir erwarten. 

Die Rauschdaten ähneln stark den Dropout-Daten. Wenn man sich das Diagramm ansieht, scheint der LF50CV viel lauter zu sein, aber es ist eher der Fall, dass der Trend sich bei doppelter Last fortsetzt. Zum Beispiel hat der MCP1702 bei einer 8-Volt-Versorgung und einer Last von 250mA 3,79mV RMS-Rauschen, während der LF50CV bei 270mA Last 3,46mV aufweist.

Weiter geht es mit dem Texas Instruments LM3940IT Ein-Ampere, 3,3-Volt-Regler - der Spannungsabfall ist etwas besser als beim MCP1700. Die Sache wird ziemlich interessant, wenn man sich die Effizienzkurve anschaut. Die Effizienz bei geringer Last dieses Reglers fällt scharf ab, der erste der von uns betrachteten Regler, der diesen steilen Abfall zeigt. Insgesamt ist er ein paar Prozent weniger effizient als der MCP1700, sobald die Effizienz einen linearen Punkt erreicht.

Das Rauschen des LM3940IT ist ebenfalls interessant, obwohl ich vermute, ich weiß warum. Insgesamt ist die Rauschleistung außergewöhnlich und sehr stabil bei extrem geringen Lasten. Ich vermute, die großen Ausschläge im Diagramm sind Messfehler - speziell, der Regler beginnt eine thermische Abschaltung. Ich habe jeden dieser Regler an einem enormen Kühlkörper mit Hochleistungs-Wärmeleitpaste und Lüftern auf beiden Seiten befestigt... aber es reicht immer noch nicht aus, um die Wärme aus dem Gehäuse für einige Komponenten abzuführen. Das durchschnittliche Rauschen des LM3940IT über alle Spannungen und Lasten hinweg ist das beste aller getesteten Regler, selbst mit diesen seltsamen Rauschspitzen.

Auf dem fünften Platz, aber weit entfernt vom unteren Ende der Rangliste, befindet sich ein weiteres Bauteil von Texas Instruments, der TL780-12KCS. Es handelt sich hierbei um einen 1,5 Ampere 12-Volt Ausgangsregler. Angesichts des hohen Stroms und der Ausgangsspannung erwarte ich einen ziemlich signifikanten Spannungsabfall im Vergleich zu den Teilen, die wir bereits betrachtet haben. Die Daten enttäuschen nicht - bei einer Last von 1,5 Ampere sollten Sie diesem Regler mindestens 15 Volt geben, um eine kleine Marge für Unterschiede zwischen den Bauteilen zu haben. Mit dieser Last müssen Sie 4,5 Watt Abwärme bewältigen! Nicht überraschend ging der Regler in den thermischen Abschaltmodus, als er eine Last von 1,5 Ampere aus einer 30-Volt-Eingangsspannung versorgte. Dennoch war er nicht der erste, der während der Tests in den thermischen Abschaltmodus ging.

Die Effizienz entspricht dem, was man erwarten würde, abgesehen vom starken Abfall bei den leichtesten Lasten, genau wie wir es vom letzten TI-Teil gesehen haben. Dies ist ein sehr günstiger Regler, daher kann ich verstehen, warum man ihn einem Schaltregler vorziehen könnte - aber wenn Ausgangsrauschen kein Problem darstellt, dann werden die Kosten für das thermische Management wahrscheinlich höher sein als die Wahl eines linearen Reglerersatzes im Stil eines Schaltreglers.

Also, lassen Sie uns einen Blick auf das Rauschen werfen, denn wenn Sie sich einen Regler wie diesen anschauen, dann sicher nicht wegen seiner Effizienz! Es gibt eine leichte Instabilität unter den leichtesten Lasten, aber die verschwindet schnell. Seine Rauschleistung ist relativ konsistent über seinen gesamten Lastbereich.

Um unsere Erkundung von linearen Reglern abzuschließen, lassen Sie uns zur zentralen Frage zurückkehren: Wann sollten Sie einen linearen Regler anstelle eines Schaltreglers verwenden? Wie wir gesehen haben, hängt die Antwort von einem Gleichgewicht zwischen Effizienz, Rauschen und thermischem Management ab. Lineare Regler sind die erste Wahl für Anwendungen, bei denen geringes Rauschen entscheidend ist, insbesondere in empfindlichen analogen Schaltungen. Ihre Effizienznachteile, insbesondere unter höheren Lasten und signifikanten Eingangs-zu-Ausgangs-Spannungsdifferenzen, können jedoch nicht ignoriert werden.

Die Reise durch diese 35 linearen Regler hat eine faszinierende Landschaft von Leistungsvarianzen offenbart. Selbst innerhalb derselben Komponentenfamilie haben wir Unterschiede beobachtet, die die Leistung und die Designüberlegungen Ihres Projekts erheblich beeinflussen könnten. Dies unterstreicht die Bedeutung von realen Tests und sich nicht ausschließlich auf Datenblattspezifikationen zu verlassen.

Ob Sie zuverlässige Leistungselektronik oder fortschrittliche digitale Systeme bauen müssen, nutzen Sie den kompletten Satz an PCB-Designfunktionen und erstklassige CAD-Tools in Altium Designer®. Um Zusammenarbeit in der heutigen interdisziplinären Umgebung zu implementieren, nutzen innovative Unternehmen die Altium 365™-Plattform, um Design-Daten einfach zu teilen und Projekte in die Fertigung zu bringen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.