Regulatory napięcia dla urządzeń IoT i mobilnych

Zasilacze i systemy zarządzania zasilaniem odgrywają kluczową rolę w przedłużaniu czasu pracy i wydajności urządzeń mobilnych. Jako istotna część tych systemów, regulator napięcia jest zaprojektowany do utrzymania napięcia wyjściowego z zasilacza na stałym poziomie. Istnieje wiele punktów do rozważenia przy wyborze regulatora napięcia dla urządzenia mobilnego lub IoT. Chociaż często wiąże się to z kompromisem między szumem, zarządzaniem ciepłem a odchyleniami od regulacji, znalezienie właściwej równowagi między tymi punktami może pomóc zapewnić, że Twoje następne urządzenie mobilne będzie działać zgodnie z oczekiwaniami.

Pożądana funkcjonalność regulatora napięcia

Każdy regulator napięcia musi zapewniać pewne konkretne funkcje. Po pierwsze, regulator musi podnosić lub obniżać napięcie między baterią a różnymi podukładami w urządzeniu. Funkcjonalność podnoszenia jest wymagana przez urządzenia wysokonapięciowe, takie jak OLEDy, podczas gdy funkcja obniżania pomaga zmniejszyć zużycie energii przez cyfrowe obwody CMOS. Zapewnia to dłuższą żywotność baterii i umożliwia nowe funkcje, takie jak dodatkowe kamery i sprzężenie zwrotne haptyczne, bez znaczącego wpływu na rozmiar baterii.

Zarządzanie szumem i izolacja mocy są kluczowe w urządzeniach mobilnych, aby zapewnić integralność sygnału. Nowoczesne schematy modulacji RF dla transmisji danych z prędkością Gbps stawiają rygorystyczne wymagania dotyczące zniekształceń i artefaktów interferencji. Wymagają one, aby szczególną uwagę zwrócono na wszystkie źródła szumów, szczególnie przewodzone i promieniowane EMI z zasilacza.

Pod względem izolacji mocy, dobry regulator napięcia powinien również zapobiegać propagacji zmian napięcia wyjściowego baterii przez sygnały przejściowe (takie jak te wprowadzone przez pulsacyjny wzmacniacz mocy RF), wpływając tym samym na obwody znajdujące się dalej. Wreszcie, każdy regulator napięcia dla dowolnego urządzenia mobilnego, czy to smartfon, urządzenie noszone, IoT czy inne, musi mieć mały rozmiar i niski koszt, jednocześnie przedłużając żywotność baterii.

Topologie regulatorów napięcia

Regulatory liniowe: Są one zwykle zbudowane z generatora napięcia odniesienia, wzmacniacza błędu, tranzystora mocy, dzielnika rezystancyjnego do monitorowania napięcia wyjściowego i kondensatora sprzęgającego, aby zapewnić stabilność napięcia na magistrali zasilającej. Regulatory LDO oparte na tranzystorach pnp i pFET wykazują różne charakterystyki prądu jałowego podczas spadku napięcia, w zależności od polarności tranzystora. Tranzystory pFET praktycznie nie pobierają prądu i nie wykazują wzrostu prądu jałowego podczas spadku napięcia, podczas gdy nFETy wykazują wzrost prądu jałowego, gdy napięcie wejściowe rośnie i zbliża się do napięcia wyjściowego.

Zalety regulatorów liniowych to ich niski poziom szumów i tętnień, małe do średnich rozmiarów, oraz ich niska złożoność i koszt. Wady obejmują tylko operację obniżania napięcia, oraz mają one niską do średniej efektywność, chociaż zależy to od prądu obciążenia, napięcia baterii i rozpraszania ciepła.

Liniowy regulator. Rysunek z The Fundamentals of LDO Design and Applications. Dostępne w Analog Devices

Regulatory pojemnościowe: Znane również jako przetworniki z pompą ładunkową, wykorzystują kondensatory i kilka przełączników do dostarczania napięcia wyjściowego wyższego lub niższego niż napięcie wejściowe. Magazynują i przekazują energię z wejścia na wyjście za pomocą latającego kondensatora połączonego z cyfrowymi przełącznikami.

Zalety przetworników z pompą ładunkową to wysoka efektywność i niskie promieniowane EMI w porównaniu z innymi regulatorami napięcia. Jest to spowodowane użyciem kondensatora do magazynowania energii i transferu, co umożliwia stosowanie technik miękkiego przełączania do kontrolowania cyfrowych przełączników. Te przetworniki nie używają sprzężenia zwrotnego do osiągnięcia regulacji, polegając zamiast tego na cyklu pracy okresu przełączania, aby kompensować zmiany napięcia wyjściowego. Te kontrolery są zazwyczaj ograniczone do aplikacji o niskiej mocy.

Schematy obwodów regulatora pojemnościowego i przebiegi napięć wejściowych/wyjściowych

Regulatory przełączające: Te regulatory mogą podnosić (boost) lub obniżać (buck) napięcie wejściowe; są również zdolne do odwracania jego polaryzacji. Typowy przetwornik buck-boost składa się z sieci przełączników generujących sygnał AC, filtru dolnoprzepustowego, który przepuszcza składową DC tego sygnału na wyjście, oraz sieci sprzężenia zwrotnego do regulacji napięcia wyjściowego poprzez zmianę wypełnienia lub częstotliwości sygnału AC.

Charakterystyki napięcia wyjściowego regulatora przełączającego w dużej mierze zależą od jakości filtru dolnoprzepustowego, który jest realizowany jako obwód LC. Szum napięcia tętnień na wyjściu i efektywność regulatora w dużej mierze zależą od wielkości dławika, gdzie większe dławiki redukują tętnienia i efektywność obwodu ze względu na ich większe straty energii przez ich równoważną rezystancję szeregową. Te obwody regulatorów marnują mniej ciepła, ale są ogólnie bardziej skomplikowane, większe i droższe niż ich liniowe odpowiedniki.

Łączenie regulatorów liniowych i przełączających jest powszechną techniką do generowania wielu napięć zasilających w urządzeniu mobilnym. Projektant zasilania musi rozważyć charakterystyki źródła zasilania (baterii) i obciążenia, aby wybrać optymalne rozwiązanie obwodu dla danego podobwodu. Na przykład, jako że procesory urządzeń mobilnych są produkowane przy użyciu coraz drobniejszej architektury tranzystorów (10 nm lub mniej), co obniża ich wymagania dotyczące napięcia i prądu zasilania, prąd jałowy obwodu regulatora staje się większym procentem prądu obciążenia i ma większy wpływ na efektywność obwodu.

Regulatory napięcia dla produktów mobilnych

Maxim Integrated, MAX8863

Regulator napięcia liniowego MAX8863 zapewnia wyższe niezawodne napięcie zasilania (2,5 V do 6,5 V) z prądem wyjściowym do 120 mA w miniaturowej obudowie 5-pin SOT23. Urządzenie używa tranzystora PMOS, co pozwala na niezależność 80 µA prądu zasilania od obciążenia. Te urządzenia są idealne do zasilanych bateryjnie przenośnych sprzętów takich jak telefony komórkowe lub inne urządzenia IoT, które działają z różnymi standardami sygnalizacji. Zewnętrzna sieć dzielników rezystorowych może być również użyta do regulacji napięcia wyjściowego:

Urządzenia oferują tryb pracy Dual Mode^™: ich napięcie wyjściowe jest predefiniowane... lub może być dostosowane za pomocą zewnętrznego dzielnika rezystorowego. Inne funkcje obejmują wyłączanie z niskim poborem mocy, ochronę przed zwarciem, ochronę termiczną oraz ochronę przed odwróceniem biegunowości baterii. [Z karty katalogowej MAX8863]

MAX8864, wariant MAX8863, zawiera również funkcję auto-rozładowania. Ta funkcja aktywnie rozładowuje napięcie wyjściowe do ziemi, gdy urządzenie jest umieszczone w trybie wyłączenia.

Schemat blokowy funkcjonalny, od Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

Wszyscy uwielbiają robić selfie, a wiele osób musi prowadzić telekonferencje za pomocą swoich laptopów. Te działania, oraz urządzenia, które intensywnie używają diod LED, wymagają regulatora napięcia, który może zapewnić stabilne wyjście dla tych konkretnych komponentów. Regulator napięcia przełączanego na kondensatorach MAX1576 jest zaprojektowany do regulacji podświetlenia i lampy błyskowej z użyciem do 8 białych diod LED w urządzeniach mobilnych (obudowa cienka QFN 24-pin, 4 mm x 4 mm). Cztery diody LED mogą być zasilane prądem do 30 mA dla podświetlenia, podczas gdy pozostałe cztery diody LED w grupie błyskowej mogą być pulsowane z prądem do 100 mA na diodę:

MAX1576 używa dwóch zewnętrznych rezystorów do ustawienia głównych i pełnych prądów LED dla błysku (100%). Cztery piny sterujące są używane do ściemniania diod LED za pomocą sterowania szeregowego lub logiki 2-bitowej na grupę. ENM1 i ENM2 ustawiają główne diody LED na 10%, 30% lub 100% pełnej skali. ENF1 i ENF2 ustawiają diody LED błyskowe na 20%, 40% lub 100% pełnej skali. Dodatkowo, połączenie dowolnej pary pinów sterujących razem umożliwia jednoprzewodowe, szeregowe sterowanie ściemnianiem impulsowym.

Schemat pinów i przykładowy obwód z regulatorem napięcia przełączanego na kondensatorach MAX1576 (z karty katalogowej MAX1576)

Analog Devices, LT1738

Regulator przełączający LT1738 od Analog Devices to kontroler DC/DC z kontrolowaną szybkością narastania, charakteryzujący się ultra niskim poziomem szumów. Regulatory przełączające są znane z tego, że mogą być dość głośne z powodu sygnału PWM, ale LT1738 używa kontrolowanych szybkości narastania napięcia i prądu w zewnętrznym przełączniku MOSFET typu N-kanałowego. Urządzenie to emituje znacznie mniej intensywny promieniowany hałas niż inne regulatory przełączające o podobnej mocy wyjściowej i rozmiarze, co czyni go doskonałym wyborem do stosowania w nowych urządzeniach mobilnych i IoT.

Szybkości narastania prądu i napięcia mogą być ustawiane niezależnie, aby zoptymalizować zawartość harmonicznych w przebiegach przełączania względem efektywności. LT1738 może redukować moc harmonicznych wysokiej częstotliwości nawet o 40 dB przy tylko niewielkich stratach efektywności. LT1738 wykorzystuje architekturę w trybie prądowym zoptymalizowaną dla topologii z pojedynczym przełącznikiem... Wewnętrzny oscylator może być zsynchronizowany z zewnętrznym zegarem dla bardziej dokładnego umiejscowienia harmonicznych przełączania.

Schemat blokowy regulatora przełączającego LT1738 (z karty katalogowej LT1738).

Twoje następne urządzenie mobilne lub IoT musi oszczędzać i właściwie zarządzać energią, aby przedłużyć jego użyteczne życie. Możesz to osiągnąć, stosując odpowiedni regulator napięcia i inne komponenty specjalnie zaprojektowane dla aplikacji mobilnych i IoT. Wypróbuj nasz przewodnik Selector części, aby określić najlepszą opcję dla Twojego następnego produktu.

Nie przegap artykułów takich jak ten! Bądź na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami, zapisując się do naszego newslettera!