Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Nowoczesne stabilizatory LDO zwiększają sprawność systemu

ghost666 04 Paź 2018 12:47 1734 6
  • Nowoczesne stabilizatory LDO zwiększają sprawność systemu
    Zasilacze o wysokiej wydajności historycznie łączone są z przetwornicami impulsowymi. Jednocześnie projektanci zakładają, że regulatory liniowe (LDO) mają niską sprawność. Na szczęście topologia stabilizatorów liniowych zmieniła się do tego stopnia, że obecnie możliwe jest uzyskanie zadziwiająco wysokiej sprawności tego rodzaju układów.

    W urządzeniach przenośnych występują obecnie trzy główne trendy w zasilaniu: zmniejszenie napięcia zasilania układów, kompresja napięcia oraz redukcja prądu spoczynkowego (IQ). Tendencje te doprowadziły do ​​opracowania stabilizatorów LDO LILO, które dzięki swojej architekturze mają istotnie wyższą wydajność niż klasyczne układy liniowe.

    Napięcia zasilania układów scalonych zmniejszyły się w ostatnich latach, więc wymagania dotyczące minimalnego napięcia wejściowego dla LDO zostały także zredukowane. Gdy napięcia zasilania spadły poniżej 1,5 V, tradycyjna topologia LDO zaczęła osiągać swoje granice, ponieważ szyna napięcia wejściowego zasila wszystkie wewnętrzne obwody stabilizatora. Stopniowe zmniejszanie napięcia wejściowego doprowadziło do wzrostu popularności LDO LILO.

    Stabilizatory LDO typu LILO wykorzystują tranzystor NMOS i linię polaryzującą do osiągnięcia niskiego spadku napięcia na tym układzie. Zaletą stosowania tranzystora NMOS jest fakt, iż ma on mniejszą rezystancję dren-źródło (RDS(on)) niż tranzystor polowy z kanałem typu P. Do działania wymaga on również dodatniego napięcia pomiędzy bramką a źródłem (VGS). W wyniku tej topologii linia polaryzująca układ musi być zasilana przez napięcie wyższe niż wejściowe. Napięcie to zasila większość obwodów wewnętrznych LDO, dzięki temu układ ten może działać przy niższych napięciach wejściowych.

    Jedną z głównych zalet tranzystorów NMOS jest niska wartość RDS(on). Pozwala to na zmniejszenie spadku napięcia na tym elemencie, na skutek redukcji jego rezystancji. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wysokiej wydajności przy zachowaniu niewielkich rozmiarów układu. Na rysunku 1 zaprezentowano typowo topologię układu typu NMOS LDO. Widać na niej m.in. pin polaryzacji (bias) potrzebny do poprawnego działania układu.

    Nowoczesne stabilizatory LDO zwiększają sprawność systemu




    Rysunek 1. Topologia stabilizatora NMOS LDO.


    Jak opisaliśmy powyżej, dwoma głównymi zaletami stabilizatorów liniowych typu LILO są: mniejsze minimalne napięcie wejściowe oraz redukcja spadku napięcia w układzie, co prowadzi do zwiększenia wydajności systemu zasilania. Zwłaszcza ten drugi czynnik ma ogromny wpływ na sprawność systemu, która jest porównywalna z tą osiąganą przez przetwornice impulsowe.

    W przypadku zarówno każdego rodzaju zasilacza, jak i innych urządzeń, sprawność wyznaczamy wzorem postaci:

    $$\eta = \frac {P_{OUT}} {P_{IN}} \times 100%$$ (1)

    Dla LDO typu LILO, takiego jak TPS7A10, możemy prosto wyznaczyć tą sprawność wykorzystując trochę bardziej rozbudowany wzór pokazany na równaniu drugim:

    $$\eta = \frac {V_{OUT} \times I_{OUT}} {V_{IN} \times I_{IN} + V_{BIAS} \ times I_{BIAS}} \times 100%$$ (2)

    Jako że prąd obciążenia jest istotnie wyższy niż prąd spoczynkowy IQ, to możemy uprościć powyższe równanie do postaci:

    $$\eta \approx \frac {V_{OUT}} {V_{IN}} \times 100%$$ (3)

    Na przykładzie równania trzeciego widać, iż najprostszym sposobem zwiększenia wydajności, jest zmniejszenie różnicy pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym.

    W elektronice przenośnej bardzo powszechne jest posiadanie sensorów zasilanych ze stabilizatora LDO, ponieważ typowa przetwornica impulsowa generuje zbyt dużo zakłóceń w napięciu zasilającym. Projektanci będą używać LDO o niskim IQ, uważając, że zwiększają one żywotność baterii w systemie, gdy obciążenie występuje tylko czasami. To niekoniecznie najwydajniejsze rozwiązanie. Wynika to z faktu, iż duże straty mocy w czasie, w którym obciążenie jest włączone, mogą spowodować drastycznie obniżoną wydajność.

    Rysunek 2 pokazuje dwie typowe konfiguracje systemu zasilania implementowane w systemach zasilanych z baterii. Jeden używa typowego LDO o niskim prądzie spoczynkowym, a drugi używa LDO typu LILO o równie niskim IQ. Jeśli porównamy teraz straty mocy zasilaczy o tych dwóch topologiach, to widzimy, że układ o niskim IQ pobiera około 2,7 mW, a stabilizator LILO około 1,8 mW (patrz tabelka poniżej). Wykorzystanie stabilizatora LDO typu LILO pozwala na zwiększenie wydajności z 55% do 82%, pomimo faktu, że samo IQ stabilizatora zwiększyło się.

    Nowoczesne stabilizatory LDO zwiększają sprawność systemu
    Rysunek 2. Porównanie stabilizatorów LDO o niskim prądzie spoczynkowym i stabilizatora typu LILO


    Nowoczesne stabilizatory LDO zwiększają sprawność systemu
    Jak widać w tabeli po lewej stronie, wykorzystanie stabilizatora typu LILO w aplikacji przenośnej ma wiele zalet, głównie związanych z wydłużeniem czasu pracy pomiędzy ładowaniami, dzięki redukcji poborowi mocy z ogniwa. Zmniejszenie różnicy napięć pomiędzy wyjściem a wejściem tego układu pozwoliło na zwiększenie sprawności do ponad 80%. W momencie, kiedy to zrozumiesz, z pewnością będziesz w stanie wybrać odpowiedni stabilizator LDO do swojej aplikacji.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/08/20/how-lilo-ldos-increase-system-efficiency


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 04 Paź 2018 16:36
    TechEkspert
    Redaktor

    ghost666 napisał:
    W urządzeniach przenośnych występują obecnie trzy główne trendy w zasilaniu: zmniejszenie napięcia zasilania układów, kompresja napięcia oraz redukcja prądu spoczynkowego (IQ).


    Ciekawe, zupełnie nowy dla mnie temat. Jak należy rozumieć wspomnianą 'kompresję napięcia'?

    Kiedyś umieściłeś materiał o porównaniu LDO i DC/DC, nie mogę go znaleźć.

  • #3 04 Paź 2018 22:54
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    TechEkspert napisał:
    Kiedyś umieściłeś materiał o porównaniu LDO i DC/DC, nie mogę go znaleźć.


    Chodzi Ci o to - https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=16682689#16682689 ?

  • #4 05 Paź 2018 22:59
    krisRaba
    Poziom 25  

    Ciekawe. Ja trochę się pogubiłem w tych kalkulacjach. Na czym dokładnie zyskuje ten LILO? Na tym, że zmniejszyli zasilanie obwodów wewnętrznych z 1.8 do 1.2V? Bo Iq jest większy dla LILO... PDISSOFF też większy.. tylko w stanie załączenia znacznie mniejszy. Choć nie bardzo widzę czemu :D

  • #5 06 Paź 2018 20:16
    mongoł2000
    Poziom 18  

    Co do kompresji napięć, to chyba chodzi o to, aby używać możliwie najmniej różnych szyn zasilania. Choć czasem warto z użyć jednego LDO/DC-DC aby uzyskać 1.8V (chyba NRF5x stosuje coś takiego aby obnizyć pobór prądu).

  • #6 07 Paź 2018 13:01
    krisRaba
    Poziom 25  

    To ja tylko dodam, że później mi się nieco rozjaśniło w głowie ;) Nie wiem czemu patrząc na schemat blokowy w wersji z LILO uznałem, że główny prąd wyjściowy idzie inną drogą, czyli od tej gałęzi w górę, a że niby tylko obwody wewnątrz stabilizatora są zasilane z 1.2V... A jest przecież dokładnie odwrotnie :P Zysk tego rozwiązania z LILO wynika z faktu, że ma dopuszczalny jeszcze mniejszy spadek napięcia (Uwe-Uwy) a to ten spadek przemnożony przez prąd obciążenia daje nam straty Pdiss. Zastosowana krok wcześniej przetwornica DC/DC może z większą sprawnością niż LDO zejść trochę niżej (1.2V zamiast 1.8V) i tego 0.6V różnicy nie musimy wytracić na LDO/LILO.
    Może dla większości to oczywiste, ale ja się jakoś zafiksowałem i początkowo źle zrozumiałem skąd miałby wynikać zysk.

    Oczywiście przy bardzo małych prądach może nawet się nie opłacać stosowanie DC/DC, która też wnosi swoje straty i lepiej puścić wszystko przez LDO. Tutaj natomiast obliczeniowo pokazali przypadek, gdy faktycznie ma to sens.

  • #7 07 Paź 2018 14:09
    TechEkspert
    Redaktor

    ghost666 napisał:
    TechEkspert napisał:
    Kiedyś umieściłeś materiał o porównaniu LDO i DC/DC, nie mogę go znaleźć.


    Chodzi Ci o to - https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=16682689#16682689 ?


    Tak, materiał pokazuje że DC/DC nie takie straszne jak go malują i można w razie potrzeby dodać LDO przed częścią analogową.