Poza kartą katalogową: Testowanie regulatorów napięcia w warunkach rzeczywistych

Ostatnio ciężko pracowałem nad testowaniem różnych komponentów elektronicznych. Pewnie zastanawiasz się, dlaczego po prostu nie przeczytam kart katalogowych, żeby zaoszczędzić czas i pieniądze. Odpowiedź jest taka, że karty katalogowe, częściej niż powinny, nie zawierają wszystkich szczegółów, które mogą być potrzebne do mądrego wyboru dla konkretnego przypadku użycia. Alternatywnie, karta katalogowa może przedstawiać komponent w bardziej korzystnym świetle niż jego rzeczywiste działanie w realnym świecie. Chcę wiedzieć, jak wybrane przeze mnie komponenty sprawdzają się w testach w realnych warunkach dla projektów, które tworzę i buduję.

W poprzednim poście podkreśliłem Top 10 modułów regulatorów przełączających, które przeszły przez mój proces testowania. Tym razem opowiem Ci, jak sprawdziły się testowane przeze mnie regulatory napięcia liniowego.  

Regulatory liniowe a regulatory przełączające

Jak działają regulatory liniowe

Regulatory liniowe napięcia zapewniają obniżanie napięcia z jednego poziomu na inny. Głęboko pod ich epoksydową powłoką znajdziesz wejście komparatora nieodwracającego odniesione do określonego napięcia przerwy energetycznej (bandgap voltage), wejście komparatora odwracające, które monitoruje napięcie wyjściowe, oraz tranzystor połączony z wyjściem komparatora. Gdy napięcie wejściowe nieznacznie się zmienia, układ komparatora o wysokim wzmocnieniu dostosowuje napięcie polaryzacji tranzystora, natychmiast wpływając na napięcie i prąd wyjściowy. Krótko mówiąc, regulatory liniowe napięcia są niezwykle dobre w produkcji stałego napięcia wyjściowego niezależnie od napięcia wejściowego. Ta szybka odpowiedź nadaje im bardzo wysoki stosunek odrzucenia napięcia zasilania (PSRR), co czyni je idealnymi do użytku z wrażliwymi układami po stronie obciążenia (czujniki, ADC, itp.).

Ale regulatory liniowe nie są doskonałe i nie są urządzeniami subtelnie działającymi. Każda różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym jest rozpraszana w regulatorze w postaci ciepła. Na przykład, wyjście 5V @ 1A z wejścia 12V wyprodukuje (12 V - 5 V)*(1 A) = 7 W ciepła. 7 Watów energii cieplnej dla 5 Watów energii elektrycznej to nie jest korzystna wymiana.

Jak działają regulatory przełączające

Regulatory przełączające, czyli zasilacze impulsowe (SMPS), wykorzystują przełączanie wysokiej częstotliwości w połączeniu z komponentami magazynującymi energię, takimi jak kondensatory i cewki, aby obniżyć lub nawet zwiększyć napięcie wejściowe. Ich kluczową cechą jest efektywność, gdzie regulatory liniowe tracą efektywność w miarę zwiększania się zakresu napięcia wejściowego do wyjściowego; regulatory przełączające mogą utrzymywać wysoką efektywność przez szeroki zakres napięć i obciążeń.

Regulatory przełączające działają poprzez szybkie włączanie i wyłączanie napięcia wejściowego do obwodu; kontrolując cykl pracy (czyli stosunek czasu włączenia do wyłączenia), można dostosować napięcie wyjściowe. Gdy przełącznik regulatora jest włączony, energia jest magazynowana jako pole magnetyczne w cewce i następnie uwalniana do wyjścia jako regulowane napięcie. Kondensatory wygładzają to szybko rosnące i opadające napięcie, zapewniając stosunkowo gładkie wyjście. Ten proces znacznie zwiększa efektywność w porównaniu do regulatora liniowego, ponieważ nadmiar energii nie jest wprowadzany do obwodu i nie musi być przekształcany w ciepło.

Niestety, podejście to ma również pewne wady. Ponieważ regulatory przełączające działają cykl po cyklu, nie mogą tak szybko reagować na zmiany obciążenia lub napięcia wejściowego, jak regulator liniowy. Często doświadczają chwilowych spadków lub skoków napięcia, gdy obciążenie się zmienia. Ponieważ napięcie wejściowe jest połączone z wyjściem przez cewkę indukcyjną podczas "czasu włączenia" przełącznika, szumy w zasilaniu wejściowym mogą łatwiej przedostać się na wyjście niż w regulatorze liniowym. Dodatkowo, działanie przełączające regulatora wprowadza własne szumy; gdy cewka indukcyjna magazynuje i uwalnia energię, występuje fluktuacja napięcia o częstotliwości przełączania.

Jako uwaga, istnieje wiele topologii regulatorów przełączających, więc jest to bardzo ogólny i szeroki przegląd ich działania.

Łączenie regulatorów napięcia przełączających i liniowych

Gdy występuje duża różnica napięć między szyną wejściową a zasilaniem wyjściowym oraz potrzeba uzyskania zasilania wolnego od zakłóceń, można użyć przetwornicy impulsowej (SMPS) połączonej szeregowo z regulatorem liniowym. Przetwornica impulsowa obniża napięcie zasilania do bardziej odpowiedniego napięcia wejściowego dla regulatora liniowego, który zapewnia linię zasilania o niskim poziomie szumów. Na przykład, jeśli masz czujnik 3,3 V zasilany z baterii 12 V, możesz użyć regulatora przełączającego, aby obniżyć napięcie z 12 V do 4,5 V, a następnie regulatora liniowego, aby przejść z 4,5 V do 3,3 V. Przykład takiego rozwiązania w rzeczywistym obwodzie można zobaczyć, sprawdzając mój artykuł i film, gdzie zbudowałem zasilanie dwuszynowe z baterii 9V.

Regulator z niskim spadkiem napięcia (LDO)

Fizyka narzuca ograniczenia – istnieje punkt, w którym przetwornice i liniowe regulatory napięcia przestają poprawnie funkcjonować. Ten punkt zazwyczaj zależy w pewien sposób od wymagań prądowych obwodu znajdującego się dalej. Załóżmy, że planujesz użyć liniowego regulatora LDO do zapewnienia stabilnego napięcia urządzeniu, takim jak mikrokontroler, z źródła znajdującego się wcześniej o malejącym napięciu, na przykład baterii. W takim przypadku będziesz chciał określić, w którym miejscu twój obwód przestaje funkcjonować, znaleźć sposób na wykrycie tego napięcia i wyłączyć obwód przed tym, jak działanie stanie się niezawodne.

Testowanie wydajności w rzeczywistych warunkach

78L09

Przetestowałem pięć regulatorów typu 100 mA 78L09 od Onsemi, STMicroelectronics i Texas Instruments. Spodziewałem się, że części będą wzajemnie zamiennymi odpowiednikami, ponieważ wszystkie mają identyczne numery części (zobacz wyniki tutaj). I dobrze zrobiłem, ponieważ na pewno nie wszystkie działają równie dobrze!

Napięcie wyłączenia

Napięcie zaporowe to najniższe napięcie wejściowe, które pozwala modułom regulatora napięcia funkcjonować zgodnie ze specyfikacją. Oznacza to, że dla regulowanego wyjścia 9V, On Semi MC78L09ABPRAG wymaga minimalnego napięcia wejściowego, które wynosi 9 V + 1,63 V = 10,63 V. Istnieje 170 mV różnicy między napięciem zaporowym najlepszego i najgorszego elementu, Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 wymaga 10,8 V do prawidłowego funkcjonowania. Oznacza to, że muszę zaprojektować moje rozwiązania albo z myślą o najgorszym możliwym wyborze części, albo projektować dla najlepszego i nie akceptować żadnych substytutów. Ale tak czy inaczej, tracę na tym. Jeśli zaprojektuję pod kątem najgorszego możliwego elementu, będę rozpraszał dodatkową energię jako ciepło, zmniejszając mój budżet energetyczny i niepotrzebnie skracając żywotność baterii. Jeśli zaprojektuję pod kątem najlepszego możliwego elementu, mogę związać się z dodatkowymi wydatkami, lub co gorsza, z brakiem części. 

Gdybym pracował w firmie, gdzie kierownik ds. zakupów powiedziałby: „Czy można zastąpić 78L09 od Texas Instruments przez 78L09 od OnSemi? To pozwoli zaoszczędzić około 200 dolarów na całej produkcji.” Odpowiedź powinna być prosta: „Tak”, ale bez przetestowania alternatywnego elementu możesz odkryć, że twój obwód nie działa zgodnie z oczekiwaniami, w zależności od tego, jak ściśle zaprojektowałeś układ pod kątem napięcia zaporowego, wydajności termicznej lub wydajności szumowej.

Wydajność

Sprawdzając wydajność przy kilku punktach napięcia wejściowego, można zauważyć różnicę od 10 do 15 procent przy bardzo małym obciążeniu. To może nie brzmieć jak dużo, ale jeśli działasz na baterii lub masz obudowę, która nie może łatwo rozpraszać energię termiczną do otoczenia, ta niewielka zmiana może negatywnie wpłynąć na żywotność i cykl pracy twojego projektu. 

Na szczęście, gdy osiągniemy maksymalne prądy, na które te regulatory są oceniane, wszystkie są od siebie różne tylko o kilka procent. Tracimy komponent Texas Instruments przy jego maksymalnym dopuszczalnym napięciu 24 V. W porównaniu, pozostałe cztery regulatory mogą pracować przy napięciu wejściowym do 30 voltów.

Przy napięciu wejściowym 11,9V i obciążeniu 8 miliamperów zmierzyłem między 6 a 18 milivoltów szumu na wszystkich komponentach. Gdy obciążenie wzrasta do 30 miliamperów, każdy z regulatorów ma szum na poziomie jednego milivolta RMS względem siebie. Zakładając, że zasilasz urządzenie o niskim prądzie i wrażliwe, jak wzmacniacz o wysokim wzmocnieniu, za pomocą tych regulatorów, różnica w szumie między regulatorami może nie być idealna, jeśli przejdziesz na alternatywną część bez jej wcześniejszego testowania.

Chociaż nie polecałbym pracy regulatora liniowego przy maksymalnym napięciu wejściowym, jakie może obsłużyć, szum przy 30 woltach napięcia wejściowego może znacznie różnić się między różnymi producentami.

Więc, który regulator powinieneś wybrać? Napisałem bardzo długie zapytanie SQL, aby zebrać wszystkie dane z testów, wyróżnić godne uwagi liczby i sklasyfikować testowane regulatory. Rankingi faworyzują niskie średnie napięcie spadku, wysoką efektywność i niski szum.

Na pozycjach pierwszej i drugiej mamy Microchip MCP1700 i MCP1702. Testowałem je w ich wariantach 3,3 i 5 woltów, odpowiednio. Te regulatory mają jedne z najniższych spadków napięcia spośród wszystkich testowanych przeze mnie regulatorów, co pozwoliło im osiągnąć bardzo dobrą pozycję. Ich wydajność w zakresie tłumienia szumów jest również doskonała, ale, podobnie jak w przypadku regulatorów przełączających, które oglądaliśmy ostatnio - wymagają one minimalnego obciążenia dla stabilnej pracy; po prostu okazuje się być znacznie niższe niż ich przełączające odpowiedniki. 

Dane dotyczące szumów zostały zebrane za pomocą mojego oscyloskopu Rigol MSO5000, który ma stosunkowo wysoki poziom szumów. W przyszłości planuję ponownie przetestować wszystkie regulatory za pomocą mojego Rohde and Schwarz MXO44 lub Keysight MXR, które mają znacznie niższe poziomy szumów. 

Wydajność jest innym kluczowym parametrem do rankingu, a seria Microchip MCP1700 radzi sobie bardzo dobrze... dla regulatorów liniowych. Wykresy wydajności wyraźnie pokazują liniową zależność między napięciem wejściowym a wydajnością.

Następnie w rankingu mamy regulator STMicroelectronics LF50CV, pięciowoltowy regulator o prądzie pół ampera. Wykres może sprawiać wrażenie, że napięcie spadku jest wyższe niż w regulatorze MCP1702 o pięciu woltach. Jednakże, ten regulator może dostarczyć podwójny prąd - przy maksymalnym prądzie 250mA MCP1702, LF50CV jest nieco lepszym wykonawcą pod względem spadku. Pod względem efektywności, jest praktycznie taki sam jak MCP1702, czego się spodziewamy. 

Dane dotyczące szumów są dość podobne do danych o spadku napięcia. Patrząc tylko na wykres, można odnieść wrażenie, że LF50CV jest znacznie bardziej hałaśliwy, ale to raczej kwestia kontynuacji trendu podwajania obciążenia. Na przykład, przy zasilaniu 8 woltów i obciążeniu 250mA, MCP1702 ma 3,79mV szumu RMS, podczas gdy LF50CV ma 3,46mV przy obciążeniu 270mA.

Przechodząc do regulatora Texas Instruments LM3940IT o mocy jednego ampera i napięciu 3,3 wolta - spadek napięcia jest nieco lepszy niż w MCP1700. Rzeczy stają się dość interesujące, patrząc na wykres efektywności. Efektywność przy małym obciążeniu tego regulatora gwałtownie spada, jako pierwsza z badanych przez nas regulatorów wykazuje tak stromy spadek. Ogólnie rzecz biorąc, jest o kilka procent mniej wydajny niż MCP1700, gdy efektywność osiąga punkt liniowy.

Hałas LM3940IT jest również interesujący, chociaż podejrzewam, że wiem dlaczego. Ogólnie rzecz biorąc, wydajność hałasu jest wyjątkowa i bardzo stabilna przy ekstremalnie małych obciążeniach. Oczekuję, że duże skoki na wykresie to błędy pomiarowe - konkretnie, regulator rozpoczyna termiczne wyłączenie. Każdy z tych regulatorów jest przyłączony do ogromnego radiatora z wysokowydajną pastą termoprzewodzącą i wentylatorami po obu stronach... ale to nadal nie wystarcza, aby odprowadzić ciepło z obudowy dla niektórych komponentów. Średni poziom hałasu LM3940IT we wszystkich napięciach i obciążeniach jest najlepszy ze wszystkich testowanych regulatorów, nawet z tymi dziwnymi szczytami hałasu.

Na piątym miejscu, ale daleko od końca rankingu, znajduje się kolejny element od Texas Instruments, TL780-12KCS. Jest to regulator o wydajności 1,5 ampera i napięciu wyjściowym 12 woltów. Biorąc pod uwagę wysoki prąd i napięcie wyjściowe, spodziewam się dość znaczącego spadku napięcia w porównaniu z częściami, na które już patrzyliśmy. Dane nie zawodzą - przy obciążeniu 1,5 ampera, będziesz chciał zasilić ten regulator przynajmniej 15 woltami, aby dać trochę marginesu na różnice między poszczególnymi egzemplarzami. Przy tym obciążeniu, będziesz musiał poradzić sobie z 4,5 wata strat ciepła! Niezaskakująco, regulator wszedł w stan zabezpieczenia termicznego, gdy zasilano go z napięcia 30 woltów przy obciążeniu 1,5 ampera. Jednakże, nie był to pierwszy regulator, który osiągnął zabezpieczenie termiczne podczas testów.

Skuteczność jest taka, jak można się było spodziewać, oprócz gwałtownego spadku przy najlżejszych obciążeniach, podobnie jak to widzieliśmy w przypadku ostatniej części od TI. Jest to bardzo tani regulator, więc mogę zrozumieć, dlaczego można by go wybrać zamiast regulatora impulsowego - ale jeśli szum wyjściowy nie jest problemem, to prawdopodobnie koszt zarządzania ciepłem będzie wyższy niż wybór regulatora liniowego w stylu zastępczym regulatora impulsowego.

Więc przyjrzyjmy się szumom, ponieważ jeśli rozważasz regulator takiego typu, to nie ze względu na jego efektywność! Istnieje niewielka niestabilność przy najlżejszych obciążeniach, ale szybko znika. Jego wydajność w zakresie szumów jest stosunkowo stała na całym zakresie obciążeń.

Aby podsumować nasze badania nad regulatorami liniowymi, wróćmy do centralnego pytania: kiedy należy użyć regulatora liniowego zamiast przełączającego? Jak widzieliśmy, odpowiedź zależy od równowagi między efektywnością, szumami i zarządzaniem ciepłem. Regulatory liniowe są wyborem numer jeden dla aplikacji, gdzie niski poziom szumów jest kluczowy, szczególnie w wrażliwych obwodach analogowych. Jednakże, ich wady związane z efektywnością, szczególnie przy wyższych obciążeniach i znaczących różnicach napięć wejściowych i wyjściowych, nie mogą być ignorowane.

Podróż przez te 35 regulatorów liniowych ujawniła fascynujący krajobraz różnic w wydajności. Nawet w ramach tej samej rodziny komponentów zaobserwowaliśmy różnice, które mogłyby znacząco wpłynąć na wydajność i rozważania projektowe twojego projektu. Podkreśla to znaczenie testów w realnych warunkach i niepolegania wyłącznie na specyfikacjach z karty katalogowej.

Czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym wprowadzić współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.