Vượt ra ngoài Datasheet: Kiểm tra Thực tế của Bộ Điều Chỉnh Điện Áp

Gần đây, tôi đã làm việc chăm chỉ để kiểm tra các linh kiện điện tử khác nhau. Có lẽ bạn đang tự hỏi tại sao tôi không chỉ đọc các bảng dữ liệu và tiết kiệm thời gian cũng như tiền bạc. Câu trả lời là các bảng dữ liệu, thường xuyên hơn là không, không chứa đầy đủ chi tiết mà bạn có thể cần để lựa chọn một cách khôn ngoan cho trường hợp sử dụng cụ thể của mình. Hoặc, bảng dữ liệu có thể trình bày một linh kiện một cách có lợi hơn so với hiệu suất thực tế của nó. Tôi muốn biết các lựa chọn linh kiện của mình hoạt động như thế nào trong thử nghiệm thực tế cho các dự án mà tôi tạo ra và xây dựng.

Trong một bài viết trước, tôi đã nêu bật Top 10 Mô-đun Điều Chỉnh Chuyển Mạch đã vượt qua quá trình kiểm tra của tôi. Lần này, tôi sẽ cho bạn biết các điều chỉnh áp dụng tuyến tính mà tôi đã kiểm tra hoạt động như thế nào.  

Điều Chỉnh Tuyến Tính so với Điều Chỉnh Chuyển Mạch

Cách Điều Chỉnh Tuyến Tính Hoạt Động

Các bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính cung cấp khả năng chuyển đổi giảm áp từ một điện áp này sang điện áp khác. Sâu bên dưới lớp vỏ epoxy của chúng, bạn sẽ tìm thấy một đầu vào so sánh không đảo chiều được tham chiếu đến một điện áp bandgap cụ thể, một đầu vào so sánh đảo chiều theo dõi điện áp đầu ra, và một transistor được kết nối với đầu ra của bộ so sánh. Khi điện áp đầu vào thay đổi nhẹ, mạch so sánh có độ khuếch đại cao điều chỉnh điện áp cực của transistor, ngay lập tức ảnh hưởng đến điện áp và dòng điện đầu ra. Tóm lại, các bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính rất giỏi trong việc sản xuất một điện áp đầu ra ổn định bất kể điện áp đầu vào. Phản ứng nhanh này mang lại cho chúng tỷ lệ từ chối nguồn cung cấp điện năng PSRR rất cao, làm cho chúng hoàn hảo để sử dụng với các mạch hạ lưu nhạy cảm (cảm biến, ADC, v.v.).

Nhưng các bộ điều chỉnh tuyến tính không hoàn hảo, và chúng không phải là thiết bị tinh vi. Bất kỳ sự khác biệt nào giữa điện áp đầu vào và đầu ra đều được tiêu hao bên trong bộ điều chỉnh dưới dạng nhiệt. Ví dụ, một đầu ra 5V @ 1A từ một đầu vào 12V sẽ sản xuất (12 V - 5 V)*(1 A) = 7 W nhiệt. 7 Watt năng lượng nhiệt cho 5 Watt năng lượng điện không phải là một sự đánh đổi tốt.

Cách Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch Hoạt Động

Các bộ điều chỉnh chuyển mạch, hay nguồn cấp điện chế độ chuyển mạch (SMPS), sử dụng sự chuyển đổi tần số cao kết hợp với các thành phần lưu trữ năng lượng như tụ điện và cuộn cảm để giảm hoặc thậm chí tăng điện áp đầu vào. Đặc điểm chính của chúng là hiệu quả, nơi mà các bộ điều chỉnh tuyến tính mất hiệu quả khi phạm vi điện áp đầu vào đến đầu ra tăng lên; các bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể duy trì hiệu quả cao qua một phạm vi rộng của điện áp và tải.

Các bộ điều chỉnh chuyển mạch hoạt động bằng cách nhanh chóng bật và tắt điện áp đầu vào của mạch; bằng cách kiểm soát chu kỳ làm việc (hoặc tỷ lệ thời gian bật so với thời gian tắt), điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh. Trong khi công tắc điều chỉnh đang bật, năng lượng được lưu trữ dưới dạng một trường từ trong cuộn cảm và sau đó được giải phóng ra đầu ra dưới dạng một điện áp được điều chỉnh. Các tụ điện làm mịn điện áp này tăng và giảm nhanh chóng, cung cấp một đầu ra tương đối mịn. Quá trình này tăng hiệu quả đáng kể so với một bộ điều chỉnh tuyến tính vì năng lượng dư thừa không được đưa vào mạch và không cần phải được chuyển đổi thành nhiệt.

Rất tiếc, phương pháp này cũng có một số hạn chế. Do bộ điều chỉnh chuyển mạch hoạt động theo từng chu kỳ, chúng không thể phản ứng với sự thay đổi về tải hoặc điện áp đầu vào nhanh như bộ điều chỉnh tuyến tính. Chúng thường xuyên trải qua sự giảm điện áp tức thời hoặc sự tăng vọt khi tải thay đổi. Bởi vì điện áp đầu vào được kết nối với đầu ra thông qua một cuộn cảm trong thời gian "bật" của công tắc, nhiễu trong nguồn cung cấp đầu vào có thể dễ dàng đi qua đến đầu ra hơn so với bộ điều chỉnh tuyến tính. Ngoài ra, hành động chuyển mạch của bộ điều chỉnh giới thiệu nhiễu riêng của nó; khi cuộn cảm lưu trữ và giải phóng năng lượng, một sự biến động điện áp xảy ra tại tần số chuyển mạch.

Lưu ý, có nhiều kiểu topologies bộ điều chỉnh chuyển mạch, vì vậy đây là một cái nhìn tổng quan rất chung chung và rộng lớn về cách hoạt động của chúng.

Kết hợp Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Chuyển Mạch và Tuyến Tính

Khi bạn có sự chênh lệch điện áp cao giữa đường vào và nguồn ra và cần một nguồn cung cấp không nhiễu, bạn có thể sử dụng một SMPS kết hợp với một bộ điều chỉnh tuyến tính. SMPS giảm điện áp nguồn xuống một mức điện áp đầu vào phù hợp hơn cho bộ điều chỉnh tuyến tính, từ đó cung cấp một đường nguồn ít nhiễu. Ví dụ, giả sử bạn có một cảm biến 3.3 V được cấp điện bởi một pin 12 V. Trong trường hợp đó, bạn có thể sử dụng một bộ điều chỉnh chuyển mạch để giảm từ 12 V xuống còn 4.5 V và sau đó sử dụng một bộ điều chỉnh tuyến tính để giảm từ 4.5 V xuống còn 3.3 V. Bạn có thể thấy một ví dụ về điều này trong một mạch thực tế bằng cách xem bài viết và video của tôi, nơi tôi đã xây dựng một nguồn cung cấp hai đường từ một pin 9V.

Điện Áp Sụt Thấp (LDO)

Vật lý đặt ra các hạn chế - có một điểm mà bộ chuyển đổi và bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính không thể hoạt động chính xác được nữa. Điểm đó thường phụ thuộc vào một cách nào đó vào yêu cầu dòng điện của mạch phía dưới. Giả sử bạn dự định sử dụng một bộ điều chỉnh tuyến tính LDO để cung cấp điện áp ổn định cho một thiết bị, như vi điều khiển, từ một nguồn phía trên có điện áp giảm dần, như một pin. Trong trường hợp đó, bạn sẽ muốn xác định mạch của mình không còn hoạt động ở đâu, tìm cách cảm nhận điện áp đó và tắt mạch trước khi hoạt động trở nên không đáng tin cậy.

Thử nghiệm Hiệu suất Thực tế

78L09

Tôi đã thử nghiệm năm bộ điều chỉnh 100 mA loại 78L09 từ Onsemi, STMicroelectronics và Texas Instruments. Tôi mong đợi rằng các bộ phận sẽ thay thế lẫn nhau một cách dễ dàng vì chúng đều có số phận giống hệt nhau (xem kết quả tại đây). Và quả thực là một điều tốt khi tôi làm vậy vì chúng chắc chắn không phải lúc nào cũng hoạt động như nhau!

Điện áp Dropout

Điện áp sụt là điện áp đầu vào thấp nhất cho phép các mô-đun điều chỉnh điện áp hoạt động theo đúng thông số kỹ thuật. Điều đó có nghĩa là để có một đầu ra điều chỉnh 9V, On Semi MC78L09ABPRAG yêu cầu một điện áp đầu vào tối thiểu là 9 V + 1,63 V = 10,63 V. Có sự chênh lệch 170 mV giữa điện áp sụt của bộ phận tốt nhất và tồi tệ nhất, Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 yêu cầu 10,8 V để hoạt động đúng cách. Điều đó có nghĩa là tôi cần phải thiết kế giải pháp của mình cho lựa chọn bộ phận tồi tệ nhất, hoặc thiết kế cho bộ phận tốt nhất và không chấp nhận sự thay thế nào. Nhưng dù theo cách nào, tôi cũng đang để lỡ một số điều. Nếu tôi thiết kế cho bộ phận tồi tệ nhất, tôi sẽ tiêu hao năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt, làm giảm ngân sách năng lượng của mình và không cần thiết làm giảm tuổi thọ pin. Nếu tôi thiết kế cho bộ phận tốt nhất, tôi có thể tự mình gặp phải chi phí phát sinh thêm, hoặc tồi tệ hơn, là tình trạng thiếu hụt linh kiện.  

Nếu tôi làm việc cho một công ty mà người quản lý mua hàng nói "Có ổn không nếu thay thế 78L09 từ Texas Instruments bằng 78L09 từ OnSemi? Nó sẽ tiết kiệm khoảng 200 đô la tổng cộng trong lần sản xuất." Câu trả lời nên là một cái "Có" đơn giản, nhưng nếu không kiểm tra linh kiện thay thế, bạn có thể phát hiện mạch của mình không hoạt động như mong đợi tùy thuộc vào việc bạn thiết kế chặt chẽ quanh điện áp sụt, nhiệt độ tỏa ra, hay hiệu suất nhiễu như thế nào.

Hiệu suất

Kiểm tra hiệu suất tại một số điểm điện áp đầu vào, bạn có thể thấy sự khác biệt từ 10 đến 15 phần trăm dưới tải rất nhẹ. Có vẻ không nhiều, nhưng nếu bạn hoạt động từ một pin hoặc có một vỏ không dễ dàng tản nhiệt vào môi trường xung quanh, thay đổi nhỏ đó có thể ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ và chu kỳ làm việc của thiết kế của bạn. 

May mắn thay, khi chúng ta đạt đến dòng điện tối đa của các bộ điều chỉnh này, chúng đều nằm trong vài phần trăm của nhau. Chúng ta mất linh kiện của Texas Instruments tại điện áp định mức tối đa của nó là 24 V. Trong khi đó, bốn bộ điều chỉnh khác có thể hoạt động lên đến 30 volt đầu vào.

Với đầu vào 11.9V và tải 8 miliampe, tôi đo được mức nhiễu từ 6 đến 18 milivolt trên tất cả các linh kiện. Khi tải lên đến 30 miliampe, mỗi bộ điều chỉnh đều có mức nhiễu RMS cách nhau chỉ khoảng một milivolt. Giả sử bạn đang cấp điện cho một thiết bị nhạy cảm và tiêu thụ dòng điện thấp như một bộ khuếch đại có độ lợi cao với những bộ điều chỉnh này. Trong trường hợp đó, sự khác biệt về nhiễu giữa các bộ điều chỉnh có thể không lý tưởng nếu bạn chuyển sang một phần thay thế mà không kiểm tra trước.

Tuy nhiên, tôi không khuyến nghị chạy một bộ điều chỉnh tuyến tính ở mức điện áp đầu vào tối đa mà nó có thể xử lý, vì nhiễu ở điện áp đầu vào 30 volt có thể thay đổi đáng kể giữa các nhà sản xuất khác nhau.

Vậy, bạn nên chọn bộ điều chỉnh nào? Tôi đã viết một truy vấn SQL rất dài để tổng hợp tất cả dữ liệu kiểm tra, làm nổi bật các con số đáng chú ý và xếp hạng các bộ điều chỉnh mà tôi đã kiểm tra. Các tiêu chí xếp hạng ưu tiên một điện áp sụt thấp trung bình, hiệu suất cao và nhiễu thấp.

Ở vị trí thứ nhất và thứ hai, chúng ta có Microchip MCP1700 và MCP1702. Tôi đã thử nghiệm chúng với các biến thể 3.3 và 5-volt tương ứng. Những bộ điều chỉnh này có mức độ sụt áp thấp nhất trong số tất cả các bộ điều chỉnh mà tôi đã thử nghiệm, dẫn đến việc chúng được xếp hạng rất cao. Hiệu suất giảm nhiễu của chúng cũng xuất sắc, nhưng, giống như với các bộ điều chỉnh chuyển mạch mà chúng ta đã xem xét lần trước - chúng cần một tải tối thiểu để hoạt động ổn định; chỉ là nó thấp hơn nhiều so với các đối tác chuyển mạch của chúng. 

Dữ liệu nhiễu được thu thập bằng máy đo Rigol MSO5000 series của tôi, có mức nền nhiễu tương đối cao. Trong tương lai, tôi  dự định sẽ thử nghiệm lại tất cả các bộ điều chỉnh với máy Rohde và Schwarz MXO44 hoặc Keysight MXR của tôi, có mức nền nhiễu thấp hơn nhiều. 

Hiệu suất là tham số quan trọng khác để xếp hạng, và dòng Microchip MCP1700 hoạt động rất tốt... đối với các bộ điều chỉnh tuyến tính. Biểu đồ hiệu suất rõ ràng cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp đầu vào và hiệu suất.

Tiếp theo trong bảng xếp hạng, chúng ta có STMicroelectronics LF50CV, một bộ điều chỉnh nửa ampe năm vôn. Biểu đồ có thể khiến nó trông như thể điện áp sụt là cao hơn so với bộ điều chỉnh năm vôn MCP1702. Tuy nhiên, bộ điều chỉnh này có thể cung cấp gấp đôi dòng điện - tại mức tối đa 250mA của MCP1702, LF50CV là một người biểu diễn tốt hơn một chút về điện áp sụt. Về hiệu quả, nó gần như tương tự như MCP1702, điều mà chúng ta mong đợi. 

Dữ liệu về tiếng ồn khá tương tự như dữ liệu về điện áp sụt. Chỉ cần nhìn vào biểu đồ làm cho nó có vẻ như LF50CV ồn ào hơn nhiều, nhưng đó hơn là trường hợp của xu hướng tiếp tục gấp đôi tải. Ví dụ, với nguồn cung cấp 8 vôn và tải 250mA, MCP1702 có tiếng ồn RMS là 3.79mV, trong khi LF50CV là 3.46mV với tải 270mA.

Chuyển sang xem xét bộ điều chỉnh Texas Instruments LM3940IT một amp, điện áp 3.3-volt - sự sụt áp của nó nhỉnh hơn một chút so với MCP1700. Mọi chuyện trở nên thực sự thú vị khi nhìn vào biểu đồ hiệu suất. Hiệu suất tải nhẹ của bộ điều chỉnh này giảm mạnh, là bộ điều chỉnh đầu tiên chúng ta xem xét có sự sụt giảm mạnh mẽ như vậy. Tổng thể, nó kém hiệu quả hơn vài phần trăm so với MCP1700 khi hiệu suất đạt đến một điểm tuyến tính.

Âm thanh từ LM3940IT cũng thú vị, mặc dù tôi nghi ngờ tôi biết tại sao. Tổng thể, hiệu suất âm thanh là ngoại lệ và rất ổn định ở các tải cực nhẹ. Tôi mong đợi những bước nhảy lớn trong biểu đồ là lỗi đo lường - cụ thể là, bộ điều chỉnh bắt đầu quá trình tắt nhiệt. Tôi đã gắn mỗi bộ điều chỉnh này vào một tản nhiệt khổng lồ với keo tản nhiệt hiệu suất cao và quạt ở cả hai bên... nhưng vẫn không đủ để loại bỏ nhiệt khỏi gói thành phần cho một số linh kiện. Âm thanh trung bình của LM3940IT trên tất cả các điện áp và tải là tốt nhất trong tất cả các bộ điều chỉnh đã được kiểm tra, ngay cả với những đỉnh âm thanh kỳ lạ này.

Ở vị trí thứ năm, nhưng không hề kém cạnh so với các bộ phận khác trong bảng xếp hạng, là một linh kiện khác của Texas Instruments, TL780-12KCS. Đây là một bộ điều chỉnh với dòng ra 1.5 amp và điện áp ra 12 volt. Với dòng cao và điện áp ra lớn như vậy, tôi mong đợi một sự sụt áp đáng kể so với các bộ phận mà chúng ta đã xem xét. Dữ liệu không làm chúng ta thất vọng - với tải 1.5 amp, bạn sẽ muốn cung cấp cho bộ điều chỉnh này ít nhất 15 volt để có một chút dư địa cho sự biến động giữa các linh kiện. Với tải đó, bạn sẽ cần phải xử lý 4.5 watt nhiệt lượng thừa! Không ngạc nhiên, bộ điều chỉnh đã vào trạng thái ngắt nhiệt khi cung cấp tải 1.5 amp từ nguồn vào 30 volt. Tuy nhiên, nó không phải là bộ phận đầu tiên gặp phải tình trạng ngắt nhiệt trong quá trình thử nghiệm.

Hiệu suất là như bạn mong đợi, ngoại trừ sự giảm mạnh ở các tải nhẹ nhất, giống như chúng ta đã thấy từ linh kiện TI cuối cùng. Đây là một bộ điều chỉnh rất rẻ, vì vậy tôi có thể hiểu tại sao bạn có thể muốn chọn nó thay vì một bộ điều chỉnh chuyển mạch - nhưng nếu tiếng ồn ra không phải là vấn đề, thì có lẽ sẽ tốn kém hơn để có quản lý nhiệt so với việc chọn một bộ điều chỉnh tuyến tính thay thế kiểu bộ điều chỉnh chuyển mạch.

Vậy hãy xem xét đến nhiễu, bởi vì nếu bạn đang xem xét một bộ điều chỉnh như thế này, đó không phải vì hiệu suất của nó! Có một sự không ổn định nhẹ dưới tải nhẹ nhất, nhưng điều đó nhanh chóng biến mất. Hiệu suất nhiễu của nó tương đối ổn định trên toàn bộ phạm vi tải.

Để kết thúc cuộc khám phá của chúng ta về bộ điều chỉnh tuyến tính, hãy quay lại với câu hỏi trung tâm: khi nào bạn nên sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính thay vì bộ điều chỉnh chuyển mạch? Như chúng ta đã thấy, câu trả lời phụ thuộc vào sự cân bằng giữa hiệu suất, nhiễu và quản lý nhiệt. Bộ điều chỉnh tuyến tính là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng nơi mà nhiễu thấp là quan trọng, đặc biệt trong các mạch tương tự nhạy cảm. Tuy nhiên, nhược điểm về hiệu suất của chúng, đặc biệt dưới tải cao và sự chênh lệch điện áp đầu vào-đầu ra đáng kể, không thể bỏ qua.

Hành trình qua 35 bộ điều chỉnh tuyến tính này đã tiết lộ một cảnh quan hiệu suất đa dạng hấp dẫn. Ngay cả trong cùng một gia đình linh kiện, chúng tôi đã quan sát thấy những khác biệt có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất và các yếu tố thiết kế của dự án của bạn. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thử nghiệm thực tế và không chỉ dựa vào thông số kỹ thuật trên bảng dữ liệu.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.