Projektując systemy zasilania często zmagamy się z zasadniczym problemem dobrania architektury zasilacza i stabilizatora - czy wybrać klasyczny układ liniowy czy przetwornicę impulsową ze stabilizowanym wyjściem. Obie klasy układów mają swoje wady i zalety, którym przyjrzymy się bliżej w poniższym tekście.
Stabilizatory liniowe
Układy te są doskonałym wyborem, gdy zasilany układ pobiera niewielką moc lub różnica napięć pomiędzy wejściem a wyjściem jest mała. Są to elementy bardzo proste w aplikacji, jednakże bardzo niewydajne. Ich istotną zaletą jest niski szum wyjściowy i niewielki poziom zniekształceń w stabilizowanym napięciu.
Moc wytracana na tego rodzaju układzie opisana może być prostym wzorem:
gdzie P to moc, jaką układ musi odprowadzić, Vin i Vout to, odpowiednio, napięcie wejściowe i wyjściowe, a I to pobierany ze stabilizatora prąd. Jak widać nawet dla niewielkiej różnicy napięć i małego prądu, problem niskiej wydajności może być spory.
Stabilizatory impulsowe
Z kolei tego rodzaju układy są bardzo wydajne, kompaktowe i energooszczędne. Dodatkowo zapewnić mogą izolację pomiędzy wejściem a wyjściem układu. Niestety tego typu stabilizatory na ogół generują napięcie wyjściowe o niskich parametrach - zaszumione itp. Wynika to wprost z ich zasady działania
Jak wybrać
Stabilizatory liniowe
Układy te do stabilizacji napięcia stosują liniowy element, taki jak np. tranzystor, na którym w ciepło zamieniane jest 'nadmiarowe' napięcie. Spadkiem napięcia na tym elemencie steruje pętla sprzężenia zwrotnego, zmieniając jego rezystancje wraz ze zmianami impedancji odbiornika stabilizowanego napięcia.
Stabilizatory tego typu potrzebują na wejściu napięcia wyższego od napięcia wyjściowego o określoną wartość. Ta wartość - minimalny spadek napięcia - to spore ograniczenie dla tego typu układów. Produkowane są specjalne stabilizatory liniowe o bardzo małym spadku napięcia - LDO - jednakże nawet w ich przypadku napięcie wejściowe potrzebne na stabilizatorze liniowym nie może być niższe niż napięcie wejściowe plus kilkaset miliwoltów.
Jak pisaliśmy powyżej, układy te doskonale sprawdzają się w sytuacjach, gdzie zasilany układ pobiera bardzo niski prąd i różnica pomiędzy napięciem wyjściowym a wejściowym jest niewielka. Ich dodatkową zaletą jest prostota zastosowania, gdyż zazwyczaj nie wymagają żadnych elementów zewnętrznych do działania.
Stabilizatory liniowe należy także stosować w czułych układach analogowych, jako że stabilizowane przez nie napięcie zawiera bardzo niewielkie zniekształcenia.
Zalety: Proste, tanie i niskoszumne.
Wady: Mało wydajne, produkują dużo ciepła i mają ograniczony zakres napięć wejściowych.
Stabilizatory impulsowe
Kluczowymi aspektami wielu urządzeń jest wydajność energetyczna i minimalizacja poboru prądu, na przykład w systemach zasilanych z baterii. Innymi ważnymi czynnikami, jakie obecnie są zauważalne w przemyśle, jest pęd do miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Przetwornice impulsowe pozwalają na zaspokojenie obu tych potrzeb - w oparciu o tego rodzaju systemy możliwe jest konstruowanie niewielkich i wydajnych systemów zasilania. Dodatkowymi zaletami przetwornic jest np. szeroki zakres napięć wejściowych, jako że różnica pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym w tym przypadku nie wpływa bezpośrednio na wydajność, jak w przypadku stabilizatorów liniowych.
W stabilizatorze impulsowym klucz - na przykład para tranzystorów - przełącza napięcie. Energia ta jest magazynowana następnie w jakimś elemencie - indukcyjności lub pojemności - i uwalniana, jako inne napięcie zasilania. Istnieje wiele mechanizmów regulacji tego rodzaju systemów - wypełnieniem impulsów, częstotliwością itp, jednakże wszystkie de facto sprowadzają się do kontroli ilości ładunku transmitowanego do obciążenia.
W związku z tym stabilizator impulsowy potrzebuje o wiele więcej elementów zewnętrznych niż liniowy. Oprócz samego kontrolera układy te potrzebują bardzo często zewnętrznych kluczy, cewki, itp. elementów.
Z uwagi na wykorzystanie elementu kluczującego, który albo w pełni przewodzi, albo nie przewodzi w ogóle straty są minimalne - występują w zasadzie tylko podczas przełączania klucza. Z uwagi na to, że straty są tak niewielkie, układ może być mniejszy - mimo konieczności posiadania zewnętrznych elementów - niż stabilizator liniowy o takich samych parametrach elektrycznych. Dodatkowo, dzięki wykorzystaniu takiej architektury, układy te mogą pracować z szerokim zakresem napięć wejściowych - także niższych niż wyjściowe.
Efektem ubocznym przełączania napięcia są zakłócenia generowane w napięciu wyjściowym. Mimo filtrów wyjściowych zawsze na wyjściu z tego rodzaju zasilacza, szum będzie wyższy niż w przypadku klasycznego układu liniowego.
Zalety: Bardzo wydajne, możliwość stabilizacji dużej mocy.
Wady: Skomplikowane w implementacji, generują wysoki poziom szumu podczas przełączania
Oszczędność mocy przy wykorzystaniu przetwornic impulsowych zamiast stabilizatora LDO
Zależność wydajności od pobieranego prądu dla LDO i przetwornicy impulsowej
Podsumowanie
Oba przedstawione powyżej rozwiązania mają swoje wady i zalety. W systemach gdzie liczy się tak wydajność jak i poziom szumów w napięciu wyjściowym stosuje się rozwiązania hybrydowe.
Podejście to zostanie omówione w kolejnym artykule.
Źródło: http://www.intersil.com/en/products/power-management/linear-vs-switching-regulators.html?utm_source=marketo&utm_medium=email&utm_campaign=power-management&utm_content=ldo-vs-switching-regulator]Link[/url]
Stabilizatory liniowe
Układy te są doskonałym wyborem, gdy zasilany układ pobiera niewielką moc lub różnica napięć pomiędzy wejściem a wyjściem jest mała. Są to elementy bardzo proste w aplikacji, jednakże bardzo niewydajne. Ich istotną zaletą jest niski szum wyjściowy i niewielki poziom zniekształceń w stabilizowanym napięciu.
Moc wytracana na tego rodzaju układzie opisana może być prostym wzorem:
P = (Vin - Vout) x I
gdzie P to moc, jaką układ musi odprowadzić, Vin i Vout to, odpowiednio, napięcie wejściowe i wyjściowe, a I to pobierany ze stabilizatora prąd. Jak widać nawet dla niewielkiej różnicy napięć i małego prądu, problem niskiej wydajności może być spory.
Stabilizatory impulsowe
Z kolei tego rodzaju układy są bardzo wydajne, kompaktowe i energooszczędne. Dodatkowo zapewnić mogą izolację pomiędzy wejściem a wyjściem układu. Niestety tego typu stabilizatory na ogół generują napięcie wyjściowe o niskich parametrach - zaszumione itp. Wynika to wprost z ich zasady działania
Jak wybrać
| Stabilizatory liniowe | Stabilizatory impulsowe | |
| Elastyczność architektury | Buck | Buck, Boost, Buck-Boost |
| Wydajność | Niska do średniej, w przypadku niewielkiej różnicy napięć pomiędzy wejściem a wyjściem | Wysoka |
| Poziom skomplikowania | Niski | Średni do wysokiego |
| Wymiary w układzie | Małe do średnich w układach o wysokiej mocy | Mniejsze niż układ liniowy o takich samych parametrach mocowych |
| Koszt | Niski | Średni do wysokiego |
| Zniekształcenia, szum i generowane zakłócenia elektromagnetyczne | Niskie | Średnie do wysokich |
| Zakres napięć wyjściowych | Wąski, zależny od napięcia wyjściowego i możliwości rozpraszania ciepła | Szeroki |
Układy te do stabilizacji napięcia stosują liniowy element, taki jak np. tranzystor, na którym w ciepło zamieniane jest 'nadmiarowe' napięcie. Spadkiem napięcia na tym elemencie steruje pętla sprzężenia zwrotnego, zmieniając jego rezystancje wraz ze zmianami impedancji odbiornika stabilizowanego napięcia.
Stabilizatory tego typu potrzebują na wejściu napięcia wyższego od napięcia wyjściowego o określoną wartość. Ta wartość - minimalny spadek napięcia - to spore ograniczenie dla tego typu układów. Produkowane są specjalne stabilizatory liniowe o bardzo małym spadku napięcia - LDO - jednakże nawet w ich przypadku napięcie wejściowe potrzebne na stabilizatorze liniowym nie może być niższe niż napięcie wejściowe plus kilkaset miliwoltów.
Jak pisaliśmy powyżej, układy te doskonale sprawdzają się w sytuacjach, gdzie zasilany układ pobiera bardzo niski prąd i różnica pomiędzy napięciem wyjściowym a wejściowym jest niewielka. Ich dodatkową zaletą jest prostota zastosowania, gdyż zazwyczaj nie wymagają żadnych elementów zewnętrznych do działania.
Stabilizatory liniowe należy także stosować w czułych układach analogowych, jako że stabilizowane przez nie napięcie zawiera bardzo niewielkie zniekształcenia.
Zalety: Proste, tanie i niskoszumne.
Wady: Mało wydajne, produkują dużo ciepła i mają ograniczony zakres napięć wejściowych.
Kluczowymi aspektami wielu urządzeń jest wydajność energetyczna i minimalizacja poboru prądu, na przykład w systemach zasilanych z baterii. Innymi ważnymi czynnikami, jakie obecnie są zauważalne w przemyśle, jest pęd do miniaturyzacji urządzeń elektronicznych. Przetwornice impulsowe pozwalają na zaspokojenie obu tych potrzeb - w oparciu o tego rodzaju systemy możliwe jest konstruowanie niewielkich i wydajnych systemów zasilania. Dodatkowymi zaletami przetwornic jest np. szeroki zakres napięć wejściowych, jako że różnica pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym w tym przypadku nie wpływa bezpośrednio na wydajność, jak w przypadku stabilizatorów liniowych.
W stabilizatorze impulsowym klucz - na przykład para tranzystorów - przełącza napięcie. Energia ta jest magazynowana następnie w jakimś elemencie - indukcyjności lub pojemności - i uwalniana, jako inne napięcie zasilania. Istnieje wiele mechanizmów regulacji tego rodzaju systemów - wypełnieniem impulsów, częstotliwością itp, jednakże wszystkie de facto sprowadzają się do kontroli ilości ładunku transmitowanego do obciążenia.
W związku z tym stabilizator impulsowy potrzebuje o wiele więcej elementów zewnętrznych niż liniowy. Oprócz samego kontrolera układy te potrzebują bardzo często zewnętrznych kluczy, cewki, itp. elementów.
Z uwagi na wykorzystanie elementu kluczującego, który albo w pełni przewodzi, albo nie przewodzi w ogóle straty są minimalne - występują w zasadzie tylko podczas przełączania klucza. Z uwagi na to, że straty są tak niewielkie, układ może być mniejszy - mimo konieczności posiadania zewnętrznych elementów - niż stabilizator liniowy o takich samych parametrach elektrycznych. Dodatkowo, dzięki wykorzystaniu takiej architektury, układy te mogą pracować z szerokim zakresem napięć wejściowych - także niższych niż wyjściowe.
Efektem ubocznym przełączania napięcia są zakłócenia generowane w napięciu wyjściowym. Mimo filtrów wyjściowych zawsze na wyjściu z tego rodzaju zasilacza, szum będzie wyższy niż w przypadku klasycznego układu liniowego.
Zalety: Bardzo wydajne, możliwość stabilizacji dużej mocy.
Wady: Skomplikowane w implementacji, generują wysoki poziom szumu podczas przełączania
Oszczędność mocy przy wykorzystaniu przetwornic impulsowych zamiast stabilizatora LDO
Zależność wydajności od pobieranego prądu dla LDO i przetwornicy impulsowej
Podsumowanie
Oba przedstawione powyżej rozwiązania mają swoje wady i zalety. W systemach gdzie liczy się tak wydajność jak i poziom szumów w napięciu wyjściowym stosuje się rozwiązania hybrydowe.
Podejście to zostanie omówione w kolejnym artykule.
Źródło: http://www.intersil.com/en/products/power-management/linear-vs-switching-regulators.html?utm_source=marketo&utm_medium=email&utm_campaign=power-management&utm_content=ldo-vs-switching-regulator]Link[/url]
Fajne! Ranking DIY
ale tak - macie rację, można mniej niż kilkaset.
