За пределами технического описания: Тестирование регуляторов напряжения в реальных условиях

В последнее время я усердно работал над тестированием различных электронных компонентов. Возможно, вы спрашиваете себя, почему бы мне просто не прочитать технические описания и не сэкономить время и деньги. Ответ заключается в том, что технические описания, чаще, чем это следовало бы, не содержат всех деталей, которые могут понадобиться для мудрого выбора в вашем конкретном случае использования. Или же техническое описание может представлять компонент в более выгодном свете, чем его реальная работа. Я хочу знать, как мои выбранные компоненты работают в реальных условиях тестирования для проектов, которые я создаю и строю.

В предыдущем посте я выделил Топ-10 модулей коммутационных регуляторов, которые прошли через мой процесс тестирования. На этот раз я расскажу вам, как линейные регуляторы напряжения, которые я тестировал, показали себя.  

Линейные регуляторы против коммутационных регуляторов

Как работают линейные регуляторы

Линейные регуляторы напряжения обеспечивают понижающее преобразование с одного напряжения на другое. Глубоко под их эпоксидной оболочкой вы найдете неинвертирующий вход компаратора, ссылающийся на определенное напряжение пробоя, инвертирующий вход компаратора, который контролирует выходное напряжение, и транзистор, подключенный к выходу компаратора. Когда входное напряжение немного изменяется, схема компаратора с высоким коэффициентом усиления корректирует напряжение смещения транзистора, немедленно влияя на выходное напряжение и ток. Короче говоря, линейные регуляторы напряжения исключительно хороши в обеспечении постоянного выходного напряжения независимо от входного напряжения. Эта быстрая реакция обеспечивает им очень высокое отношение подавления питающего напряжения (PSRR), что делает их идеальными для использования с чувствительными последующими схемами (датчики, ADC и т.д.).

Но линейные регуляторы не идеальны, и они не являются утонченными устройствами. Любая разница между входным и выходным напряжением рассеивается внутри регулятора в виде тепла. Например, выход 5В при 1А от входа 12В произведет (12 В - 5 В)*(1 А) = 7 Вт тепла. 7 Ватт тепловой энергии для 5 Ватт электрической энергии не является хорошим обменом.

Как работают импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы, или источники питания с импульсным режимом работы (SMPS), используют высокочастотное переключение в сочетании с компонентами хранения энергии, такими как конденсаторы и индукторы, для уменьшения или даже увеличения входного напряжения. Их ключевая особенность - эффективность, в то время как линейные регуляторы теряют эффективность по мере увеличения диапазона напряжения входа-выхода; импульсные регуляторы могут поддерживать высокую эффективность в широком диапазоне напряжений и нагрузок.

Импульсные регуляторы работают за счет быстрого включения и выключения входного напряжения в цепи; контролируя рабочий цикл (или соотношение времени включения к времени выключения), можно регулировать выходное напряжение. Пока переключатель регулятора включен, энергия хранится в виде магнитного поля в индукторе и затем высвобождается на выходе в виде регулируемого напряжения. Конденсаторы сглаживают это быстро возрастающее и падающее напряжение, обеспечивая относительно гладкий выход. Этот процесс значительно повышает эффективность по сравнению с линейным регулятором, поскольку избыточная энергия не вводится в цепь и не нуждается в преобразовании в тепло.

К сожалению, у этого подхода также есть некоторые недостатки. Поскольку регуляторы с переключением работают цикл за циклом, они не могут так быстро реагировать на изменения нагрузки или входного напряжения, как это может линейный регулятор. Они часто испытывают моментальные падения напряжения или скачки при изменении нагрузки. Поскольку входное напряжение подключено к выходу через индуктор во время "включенного" времени переключателя, шум во входном питании может гораздо легче проникнуть на выход, чем в линейном регуляторе. Кроме того, действие переключения регулятора вносит свой собственный шум; когда индуктор накапливает и высвобождает энергию, происходит колебание напряжения на частоте переключения.

Стоит отметить, что существует множество топологий регуляторов с переключением, поэтому это очень общий и широкий обзор их работы.

Комбинирование регуляторов напряжения с переключением и линейных

Когда у вас есть большая разница напряжений между входной шиной и выходным питанием и требуется источник питания без помех, вы можете использовать SMPS последовательно с линейным регулятором. SMPS понижает напряжение питания до более подходящего входного напряжения для линейного регулятора, который обеспечивает линию питания с низким уровнем шума. Например, предположим, у вас есть датчик на 3.3 В, питаемый от аккумулятора на 12 В. В этом случае вы можете использовать импульсный регулятор для понижения напряжения с 12 В до 4.5 В, а затем линейный регулятор для понижения с 4.5 В до 3.3 В. Пример такой схемы в реальном устройстве вы можете увидеть, ознакомившись с моей статьей и видео, где я собрал двухполярный источник питания от аккумулятора на 9В.

Линейные регуляторы с низким падением напряжения (LDO)

Физика накладывает ограничения – существует точка, после которой коммутаторы и линейные регуляторы напряжения больше не могут корректно функционировать. Эта точка обычно зависит от токовых требований последующей цепи. Предположим, вы планируете использовать линейный регулятор LDO для обеспечения стабильного напряжения устройству, такому как микроконтроллер, от источника с понижающимся напряжением, например, от батареи. В таком случае, вам нужно будет определить, при каких условиях ваша цепь перестает функционировать, найти способ обнаружения этого напряжения и выключить цепь до того, как работа станет ненадежной.

Тестирование производительности в реальных условиях

78L09

Я протестировал пять регуляторов типа 78L09 на 100 мА от Onsemi, STMicroelectronics и Texas Instruments. Я ожидал, что детали будут взаимозаменяемыми, поскольку все они имеют одинаковые номера деталей (смотрите результаты здесь). И это хорошо, что я это сделал, поскольку они определенно не работают одинаково!

Напряжение отсечки

Напряжение отсечки - это минимальное входное напряжение, при котором модули регулятора напряжения функционируют в соответствии с техническими условиями. Это означает, что для регулируемого выхода 9 В, On Semi MC78L09ABPRAG требуется минимальное входное напряжение, которое составляет 9 В + 1.63 В = 10.63 В. Разница в напряжении отсечки между лучшим и худшим элементами составляет 170 мВ, Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 требуется 10.8 В для нормальной работы. Это означает, что мне нужно либо разрабатывать мои решения для худшего возможного выбора компонента, либо разрабатывать для лучшего и не принимать никаких замен. Но в любом случае, я теряю что-то. Если я разрабатываю для худшего возможного компонента, я буду рассеивать дополнительную энергию в виде тепла, уменьшая мой энергетический бюджет и ненужно сокращая срок службы батареи. Если я разрабатываю для лучшего возможного компонента, я могу ограничить себя дополнительными расходами, или что еще хуже, нехваткой компонентов.  

Если бы я работал в компании, где менеджер по закупкам сказал: «Можно ли заменить 78L09 от Texas Instruments на 78L09 от OnSemi? Это позволит сэкономить около 200 долларов в общем на производственном цикле». Ответ должен быть простым «Да», но без тестирования альтернативного компонента вы можете обнаружить, что ваша схема работает не так, как ожидалось, в зависимости от того, насколько строго вы проектировали с учетом падения напряжения, тепловыделяемости или шумовых характеристик.

Эффективность

Проверяя эффективность при нескольких значениях входного напряжения, вы можете увидеть разницу в 10-15 процентов при очень низких нагрузках. Это может показаться незначительным, но если ваше устройство работает от батареи или имеет корпус, который не может легко рассеивать тепловую энергию в окружающую среду, это небольшое изменение может негативно повлиять на срок службы и рабочий цикл вашего проекта. 

К счастью, когда мы достигаем максимальных токовых характеристик этих регуляторов, они все находятся в пределах нескольких процентов друг от друга. Мы теряем компонент от Texas Instruments при его максимальном номинальном напряжении 24 В. В сравнении, другие четыре регулятора могут работать при входном напряжении до 30 вольт.

При входном напряжении 11.9 В и нагрузке 8 миллиампер я измерил шум от 6 до 18 милливольт на всех компонентах. Когда нагрузка достигает 30 миллиампер, шум каждого из регуляторов находится в пределах одного милливольта RMS друг от друга. Предположим, вы питаете устройство с низким потреблением и чувствительное, например, усилитель с высоким усилением, этими регуляторами. В этом случае разница в шуме между регуляторами может быть не идеальной, если вы переключитесь на альтернативную деталь без предварительного тестирования.

Хотя я бы не рекомендовал использовать линейный регулятор на максимальном входном напряжении, которое он может выдержать, шум при входном напряжении 30 вольт может существенно различаться между разными производителями.

Так какой регулятор вам выбрать? Я написал очень длинный SQL-запрос для агрегации всех тестовых данных, выделения заметных показателей и ранжирования тестируемых мной регуляторов. В ранжировании отдают предпочтение низкому среднему напряжению отсечки, высокой эффективности и низкому уровню шума.

На первом и втором местах у нас микросхемы Microchip MCP1700 и MCP1702. Я тестировал их в вариантах на 3,3 и 5 вольт соответственно. Эти регуляторы обладают одними из самых низких показателей падения напряжения среди всех протестированных мной регуляторов, что позволило им занять высокие позиции. Также у них отличные показатели шума, но, как и в случае с коммутируемыми регуляторами, которые мы рассматривали в прошлый раз, им требуется минимальная нагрузка для стабильной работы; просто она значительно ниже, чем у их коммутируемых аналогов. 

Данные о шуме были собраны с помощью моего осциллографа серии Rigol MSO5000, который имеет относительно высокий уровень собственных шумов. В будущем я планирую перепроверить все регуляторы с использованием Rohde and Schwarz MXO44 или Keysight MXR, которые имеют гораздо более низкий уровень шумов. 

Эффективность — это другой ключевой параметр для ранжирования, и серия Microchip MCP1700 показывает себя очень хорошо... для линейных регуляторов. Графики эффективности четко демонстрируют линейную зависимость между входным напряжением и эффективностью.

Далее в рейтинге у нас регулятор STMicroelectronics LF50CV на пять вольт и полампера. По графику может показаться, что падение напряжения выше, чем у регулятора MCP1702 на пять вольт. Однако этот регулятор может обеспечить вдвое больший ток - при максимальных 250 мА MCP1702, LF50CV показывает себя немного лучше по падению напряжения. С точки зрения эффективности, он практически такой же, как MCP1702, что и ожидалось. 

Данные о шуме довольно схожи с данными о падении напряжения. Простой взгляд на график может создать впечатление, что LF50CV значительно шумнее, но это скорее продолжение тенденции удвоения нагрузки. Например, при питании 8 вольт и нагрузке 250 мА, MCP1702 имеет шум RMS 3.79 мВ, в то время как у LF50CV при нагрузке 270 мА шум составляет 3.46 мВ.

Переходим к регулятору напряжения Texas Instruments LM3940IT на один ампер и 3,3 вольта - падение напряжения у этого устройства немного лучше, чем у MCP1700. Вещи становятся довольно интересными, когда мы смотрим на график эффективности. Эффективность при малых нагрузках у этого регулятора резко падает, это первый из рассмотренных нами регуляторов, показывающий такое резкое снижение. В целом, он на несколько процентов менее эффективен, чем MCP1700, когда эффективность достигает линейной точки.

Шум LM3940IT также интересен, хотя я подозреваю, что знаю почему. В целом, шумовые характеристики исключительны и очень стабильны при крайне малых нагрузках. Я предполагаю, что большие всплески на графике - это ошибки измерения - конкретно, начало теплового отключения регулятора. У меня каждый из этих регуляторов прикреплен к огромному радиатору с высокопроизводительной термопастой и вентиляторами с обеих сторон... но этого все равно недостаточно, чтобы отвести тепло из корпуса для некоторых компонентов. Средний уровень шума LM3940IT на всех напряжениях и нагрузках лучше всех протестированных регуляторов, даже с учетом этих странных всплесков шума.

На пятом месте, но далеко не на последнем в рейтинге, находится еще одна деталь от Texas Instruments, TL780-12KCS. Это регулятор напряжения на 1,5 ампера и 12 вольт. Учитывая высокий ток и напряжение на выходе, я ожидаю довольно значительного падения напряжения по сравнению с уже рассмотренными деталями. Данные не разочаровывают - при нагрузке в 1,5 ампера, этому регулятору нужно дать как минимум 15 вольт, чтобы оставить небольшой запас на различия между компонентами. С такой нагрузкой придется справляться с 4,5 ваттами рассеиваемого тепла! Неудивительно, что регулятор перешел в тепловой защитный режим при подаче нагрузки в 1,5 ампера от входа 30 вольт. Тем не менее, это не было самым ранним случаем перехода в тепловой защитный режим во время тестов.

Эффективность соответствует ожиданиям, за исключением резкого падения при самых малых нагрузках, как мы видели у последней детали TI. Это очень дешевый регулятор, поэтому я понимаю, почему вы можете выбрать его вместо импульсного регулятора - но если шум на выходе не является проблемой, то, вероятно, будет дороже обеспечить тепловое управление, чем выбрать импульсный регулятор вместо линейного.

Итак, давайте рассмотрим шум, потому что если вы смотрите на регулятор вроде этого, то не из-за его эффективности! Есть небольшая нестабильность при минимальных нагрузках, но она быстро исчезает. Его показатели шума относительно стабильны на протяжении всего диапазона нагрузок.

Чтобы завершить наше исследование линейных регуляторов, давайте вернемся к основному вопросу: когда следует использовать линейный регулятор вместо ключевого? Как мы видели, ответ зависит от баланса между эффективностью, шумом и тепловым управлением. Линейные регуляторы являются предпочтительным выбором для приложений, где критически важен низкий уровень шума, особенно в чувствительных аналоговых схемах. Однако нельзя игнорировать недостатки в эффективности, особенно при высоких нагрузках и значительных разницах входного и выходного напряжений.

Путешествие через эти 35 линейных регуляторов раскрыло увлекательный ландшафт различий в производительности. Даже в рамках одной и той же семьи компонентов мы наблюдали различия, которые могли бы значительно повлиять на производительность и дизайнерские соображения вашего проекта. Это подчеркивает важность реального тестирования и ненадежности полагания исключительно на спецификации из технических описаний.

Вне зависимости от того, нужно ли вам создать надежную электронику питания или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.