Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Kiedy wybrać LDO a kiedy stabilizator impulsowy

ghost666 05 Sep 2017 17:40 5121 13
  • 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:

    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 linioweStabilizatory impulsowe
    Elastyczność architekturyBuckBuck, Boost, Buck-Boost
    WydajnośćNiska do średniej, w przypadku niewielkiej różnicy napięć pomiędzy wejściem a wyjściemWysoka
    Poziom skomplikowaniaNiskiŚredni do wysokiego
    Wymiary w układzieMałe do średnich w układach o wysokiej mocyMniejsze niż układ liniowy o takich samych parametrach mocowych
    KosztNiskiŚredni do wysokiego
    Zniekształcenia, szum i generowane zakłócenia elektromagnetyczneNiskieŚrednie do wysokich
    Zakres napięć wyjściowychWąski, zależny od napięcia wyjściowego i możliwości rozpraszania ciepłaSzeroki


    Kiedy wybrać LDO a kiedy stabilizator impulsowy
    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.

    Kiedy wybrać LDO a kiedy stabilizator impulsowy
    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

    Kiedy wybrać LDO a kiedy stabilizator impulsowy


    Zależność wydajności od pobieranego prądu dla LDO i przetwornicy impulsowej

    Kiedy wybrać LDO a kiedy stabilizator impulsowy


    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]

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11208 posts with rating 9465, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • #2
    pawelr98
    Level 39  
    ghost666 wrote:


    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 spadki napięcia - LDO - jednakże nawet w ich przypadku napięcie wejściowe potrzebne na stabilizatorze liniowym nie może być niższe niż napięcie wejściowe plus kilkaset miliwoltów.


    Czy aby na pewno ?

    Na leciwym uA723 można zbudować stabilizator który wymaga nadwyżki na poziomie ledwie 70mV.

    http://elportal.pl/pdf/k04/24_08c.pdf
  • #3
    pawlik118
    Level 30  
    70mV sprawia że Uwe > Uwy
  • #4
    Jacek Rutkowski
    Level 27  
    pawlik118 wrote:
    70mV sprawia że Uwe > Uwy

    Rawłowi chodziło o to że różnica Uwe > Uwy może być nie kilkaset mV a kilkadziesiąt 70 czy 50mV...
  • #5
    ghost666
    Translator, editor
    Nie chce mi się szukać po kartach katalogowych ;) ale tak - macie rację, można mniej niż kilkaset.

    Na przykład ten układ - http://www.st.com/content/st_com/en/products/...ultra-low-dropout-ldo-regulators/ldcl015.html - potrafi pracować przy różnicy napięć 50 mV dla 150 mA.

    Albo ten - http://www.linear.com/product/LTC3035 - potrafi 45 mV przy 300 mA.

    I tak dalej i tak dalej. Przykłady można mnożyć, ale co do zasady te kilkaset jest typowe. A dlaczego nie warto zawsze bić się o tą wartość? Trochę o tym wspomnę w kolejnym materiale.
  • #8
    Macosmail
    Level 34  
    Napięcie wejściowe LDO musi być wyższe niż wyjściowe bo inaczej nie ma mowy o stabilizacji. Jeżeli różnica jest bardzo małą to i napięcie wejściowe powinno być odpowiedniej jakości. Niski poziom szumów, odpowiednio niska impedancja wyjściowa. Inaczej mówiąc też powinno być stabilizowane :D
  • #10
    ghost666
    Translator, editor
    leonow32 wrote:
    Bardzo fajny artykuł :) czy będzie później jakiś przegląd stabilizatorów impulsowych albo jakaś kontynuacja?


    Jest pewien plan ;)
  • #11
    lukiiiii
    Level 28  
    Autor tematu rozjaśnił mi zasadę działania LDO. Niby rozumiałem ale.. sądziłem, że im większy pobór prądu przez odbiornik to mniej się wytrąca ciepła na stabilizatorze gdyż przy okazji siada też napięcie wejściowe?
  • #12
    ghost666
    Translator, editor
    lukiiiii wrote:
    Autor tematu rozjaśnił mi zasadę działania LDO. Niby rozumiałem ale.. sądziłem, że im większy pobór prądu przez odbiornik to mniej się wytrąca ciepła na stabilizatorze gdyż przy okazji siada też napięcie wejściowe?


    A czemu - w ogólności - spadać by miało napięcie wejściowe?
  • #13
    lukiiiii
    Level 28  
    Taki oto przykład, transformator, mostek greatz, bez obciążenia 17V z obciążeniem np. 15V
  • #14
    Jacek Rutkowski
    Level 27  
    lukiiiii wrote:
    Taki oto przykład, transformator, mostek greatz, bez obciążenia 17V z obciążeniem np. 15V

    Uwej-Uwyj*I=P
    Załóżmy że
    Uwej1=17V Uwyj=9V I1=1A 17V-9V=8V 8V*1A=8W
    Uwej2=15V Uwyj=9V I2=2A 15V-9V=6V 6V*2A=12W
    W przybliżeniu ponieważ zależnie od użytych elementów napięcie może spadać mniej lub więcej i może dojść w szczególnym przypadku że np. przy 50% i 100% obciążenia moc strat na stabilizatorze będzie podobna (gdy rezystancja i impedancja transformatora, mostka, przewodów będzie odpowiednio wysoka).
    Ogólnie im transformator jest "sztywniejszy" tym moc strat na stabilizatorze jest bardziej liniowo zależna od pobieranej mocy.
    Niestety im głębiej wchodzimy w temat jest coraz więcej niuansów i nie da się tego w dwóch zdaniach wyjaśnić.