Летняя практика / Преобразователи напряжения / Линейные преобразователи

Компоненты и технологии, № 7’2004

Компоненты

Геннадий Штрапенин

табилизатор напряжения (СН) — это уст-

на фиксированные и регулируемые выходные на-

ройство, поддерживающее (с определенной

пряжения, ИСН, содержащие все активные элемен-

gshtrapenin@electron.usart.ru Сточностью) неизменным напряжение на на-

ты стабилизатора и требующие использования

грузке. Обычно СН представляет собой замкнутую

внешнего регулирующего транзистора и др. Далее

систему автоматического регулирования напряже-

мы будем рассматривать линейные стабилизаторы,

ния, в которой выходное напряжение устанавлива-

достоинства которых — сравнительная простота

ется равным или пропорциональным стабильному

схемы, минимальное число внешних элементов

опорному напряжению, создаваемому специаль-

и отсутствие импульсных помех, присущее ключе-

ным источником опорного напряжения (ИОН).

вым стабилизаторам. На рис. 1 изображена упро-

Стабилизаторы такого типа, называемые компенса-

щенная структурная схема линейного стабилизато-

ционными, содержат регулирующий элемент

ра напряжения, включающая ИОН, усилитель сиг-

(РЭ) — биполярный или полевой транзистор,

нала ошибки УСО, РЭ и делитель напряжения

включаемый последовательно или параллельно на-

на резисторах R1 и R2. Величина выходного напря-

грузке. Регулирующий элемент может работать

жения зависит от сопротивления резисторов дели-

в активном (непрерывном) режиме (в этом случае

теля — в стабилизаторах с фиксированным выход-

стабилизатор называется линейным или с непре-

ным напряжением резисторы расположены в самой

рывным регулированием), а также ключевом (им-

микросхеме, а в стабилизаторах с регулируемым

пульсном) режиме (в этом случае стабилизатор на-

выходным напряжением оно устанавливается

зывается ключевым или импульсным). В настоя-

внешними резисторами.

щее время в составе РЭА в основном применяются

Глобальная «мобилизация» (от слова «мобиль-

линейные и импульсные СН, выполненные на спе-

ный») современной радиоэлектронной аппаратуры

циализированных интегральных микросхемах, ко-

и, соответственно, проблема обеспечения ее эконо-

торые можно разделить на несколько групп по раз-

мичного электропитания от химических источни-

ным категориям. В частности, существуют ИСН

ков тока требует от разработчиков создания малога-

баритных стабилизаторов напряжения различных

типов с минимальными потерями. Область приме-

нения подобных устройств крайне широка — это

мобильные средства связи, переносные компьюте-

ры, устройства питания микроконтроллеров, авто-

номные видеокамеры слежения и т. п. Следует отме-

тить, что фирма National Semiconductor была пио-

нером в выпуске микросхем линейных ИСН, создав

широко известные в свое время трехвыводные

ИСН LM109, LM123 и LM340xx [1], на основе кото-

рых позже были созданы ставшие по существу

классическими микросхемы серии 78xx. Недостат-

Рис. 1. Упрощенная структурная схема линейного стабилизатора напряжения

ком этих и других аналогичных ИСН является

сравнительно большое (минимум 2,5 В) падение

64

www.finestreet.ru

Компоненты и технологии, № 7’2004

Компоненты

напряжения на регулирующем элементе,

Таблица 1. Основные параметры LDO National Semiconductor

связанное с тем, что он, как правило, выпол-

Диапазон температур

няется на биполярных транзисторах, вклю-

Диапазон

мА (макс)

, В (тип)

, мА (тип)

ченных по схеме Дарлингтона (многокаскад-

входных

Выходное напряжение

ный эмиттерный повторитель — рис. 2а).

Тип

напряжений

Примечание

Uout, В (тип)

Uin, В

А поскольку КПД линейных ИСН в предпо-

,

drop

quies

out

ложении пренебрежимо малого тока собст-

Выходнойток I

напряженияПадение U

покояТок I

мин

макс

венного потребления равен отношению вы-

LM1084

X

2,6

18, 27, 25

5000

1,3

5

12, 3,3, 5; 1,25–27,5 рег.

Защита от перегрева и перегрузок

ходного и входного напряжений Uвых/Uвх,

LM1085

X

2,6

18, 27, 25

3000

1,3

5

12, 3,3, 5; 1,25–27,5 рег.

То же

для повышения КПД, что особенно важно

для аппаратуры с автономным питанием, не-

LM1086

X

2,6

30, 27, 25

1500

1,3

5

2,5, 2,85, 3,3, 3,45,

5;

То же

1,25–27,5 рег.

обходимо уменьшать падение напряжения

LM2931

I

–

26

100

0,3

0,4

5; 3–24 рег.

Дежурный режим, защита по входу

на регулирующем элементе. Для решения

LM2937

X

–

26

500

0,5

2

2,5, 3,3, 5, 8, 10, 12, 15

Ззащита по входу

этой задачи были созданы специальные ИСН

с малым падением напряжения (Low Dropout

LM2940

M

–

26

1000

0,5

10

5, 8, 9, 10, 12, 15

То же

LP2950

X

–

30

100

0,38

0,075

3, 3,3, 5

Прецизионный 0,05%

Output — LDO). Условно к LDO относят ли-

нейные стабилизаторы с падением напряже-

LP2951

X

–0,3

30

100

0,38

0,075

1,24–29 рег.

Дежурный режим, флаг ошибки

LP2966

X

2,7

7

150

0,135

0,42

1,8, 2,2, 2,8, 3, 3,3, 3,6, 5

То же, сдвоенный

ния менее 500 мВ.

LP2980–85

X

2,1

16

100

0,2

0,065

2,5 – 5 (16 значений), 1,23–25 рег.

Дежурный режим

LP2986

X

2,1

16

200

0,18

0,10

1,23–16 рег.

Дежурный режим, флаг ошибки

LP2988

X

2,1–3,98

16

200

0,18

0,10

2,8, 3, 3,2, 3,3, 3,8, 5

То же, малошумящий

LM2990

X

–26

0.3

1500

0,6

1

–15, –12, –5

Для отрицательных напряжений

LM2991

X

–26

0.3

1000

0,6

1

–25–2 рег.

То же

LM3940

X

–

7.5

1000

0,5

10

3.3

Преобразователь 5 В в 3,3 В

LM3961/4

X

2,5

7

800

0,24

–

1,8, 2,5, 3,3, 5; 1,2–5,1 рег.

Дежурный режим,

флаг ошибки/Sence

LM3962/5

X

2,5

7

1500

0,38

–

То же

То же

LM3963/6

X

2,5

7

3000

0,8

–

То же

То же

LP3984

X

2,5

6

150

0,06

0,08

1,5, 1,8, 2, 3,1

Дежурный режим, 60дБ PSRR

принятия специальных мер по его предот-

скачкообразном изменении входного напря-

вращению. В частности, для устойчивой ра-

жения и (или) тока нагрузки, шумовое на-

боты таких LDO необходимо к выходу стаби-

пряжение на выходе стабилизатора, коэффи-

лизатора

подключать

электролитический

циент подавления пульсаций PSSR (Power

конденсатор Co с определенной емкостью

Supply Rejection Ratio — отношение напря-

и эквивалентным последовательным сопро-

жения пульсаций на входе и выходе в дБ)

тивлением ESR — Equivalent Serial Resistance.

и другие параметры.

Анализ работы LDO с различными РЭ при-

Выпускаемые промышленностью совре-

веден в статье [3].

менные LDO могут быть условно разделены

В технических описаниях и руководствах

на несколько групп в соответствии с их пара-

по применению LDO ИСН приводятся сле-

метрами и областью применения:

дующие параметры интегральных стабили-

• типовые с положительным и отрицатель-

заторов:

ным фиксированным и регулируемым на-

Рис. 2. Структурные схемы основных типов

• минимальное и максимальное входное на-

пряжением;

регулирующих элементов линейных ИСН

пряжение (InputMin Voltage & InputMax

• экономичные (с малым статическим то-

а) схема Дарлингтона на n p n транзисторах;

Voltage), при которых сохраняются точно-

ком);

б) p n p транзистор;

стные

параметры

стабилизатора

Line

• со сверхмалым (Ultra LDO — 200 мВ и ме-

в) p канальный МОП транзистор;

Regulation и Load Regulation;

нее) падением напряжения;

г) составной транзистор p n p — n p n.

• максимальный выходной ток (Output

• прецизионные (особо точные);

Current);

• быстродействующие (с быстрым откли-

Главное отличие LDO от традиционных

• падение напряжения (Dropout Voltage) —

ком);

устройств состоит в построении регулирую-

минимальная величина Uвх – Uвых, при ко-

• многоканальные (сдвоенные и т. д.);

щего элемента — для уменьшения падения

торой еще возможен режим стабилизации,

• специализированные с дополнительными

напряжения РЭ выполняют на p-n-p-транзи-

зависит от тока нагрузки;

сервисными устройствами.

сторе с коллекторным выходом (рис. 2б),

• статический ток или ток покоя (Quiescent

Отметим, что такие сервисные устройства,

а в последнее время — на p-канальных

Current) — определяется как разность

как схемы защиты от перегрузки по току

МОП-транзисторах (рис. 2в). Разработанная

входного и выходного тока (тока нагруз-

и перегрева, а также отключающие нагрузку

фирмой National Semiconductor технология

ки) стабилизатора;

при повышении и понижении выходного на-

VIP (Vertically Integrated p-n-p Transistors) [2]

• коэффициент нестабильности по напря-

пряжения стабилизатора, сейчас, по сущест-

позволяет получить интегральные p-n-p-

жению (Line Regulation) — характеризует

ву, являются стандартными и используются

транзисторы с очень высокими параметрами

изменение выходного напряжения при из-

в большинстве LDO. У стабилизаторов,

и соответственно высококачественные ИСН

менении входного напряжения, измеряет-

предназначенных для работы в устройствах

на их основе. LDO на МОП-транзисторах от-

ся в процентах;

с батарейным питанием, делается защита по

личаются минимальным падением напряже-

• коэффициент нестабильности по току

входу от переполюсовки и значительного

ния и очень низким собственным энергопо-

(Load Regulation) — характеризует измене-

превышения входного напряжения, могу-

треблением, необходимым для устройств

ние выходного напряжения при изменении

щих возникнуть при неправильном подклю-

с батарейным питанием. Недостатком стаби-

тока нагрузки, измеряется в процентах.

чении элементов питания. Ряд микросхем

лизаторов с регулирующими элементами

Кроме того, в специальных случаях нор-

имеют управляющий вход On/Off Pin

на биполярных p-n-p и p-канальных МОП-

мируется динамическая нестабильность ста-

(Shutdown) установки дежурного режима

транзисторах является их потенциальная

билизатора, определяемая как кратковремен-

(Sleep Mode), в котором отключается выход-

склонность к самовозбуждению, что требует

ное отклонение выходного напряжения при

ное напряжение и существенно снижается

www.finestreet.ru

65