Лекции 7-8 - Конспекты, страница 6

При большой разнице входного ивыходного напряжений проблем не возникает. Однако когда величина входногонапряжения приближается к выходному, то минимальное значение разностинапряжения должно быть не менее 0,9 В:U DO  U кэsat  U БЭ  0,9 В .а)б)г)(6.27)в)д)Рисунок 6.20 – Основные типы регулирующих элементов линейныхстабилизатора:а – схема Дарлингтона; б – составной n-p-n; в – биполярный p-n-p; г – p-МОП;д – составной n-МОП38Электропитание РЭАГлава 6Ток в базу n-p-n поступает от входной цепи через p-n-p транзистор ивходит в состав тока эмиттера, протекающего через нагрузку.

Таким образом,базовый ток является частью рабочего, в результате чего статический ток такойсхемы минимален.Важное преимущество стабилизаторов с p-n-p РЭ – минимальное падениенапряжения по сравнению с любыми другими схемами:U DO  U кэsat  0, 2...0,4 В .(6.28)Если использовать транзистор с большим коэффициентом усиления,возможно снизить падение напряжения до 150 мВ при токе 100 мА.

Однако втаких схемах базовый ток не течёт через нагрузку, а входит в составстатического тока, ухудшая КПД стабилизатора.Стабилизаторы с p-МОП РЭ имеют минимальное падение напряжениясреди всех РЭ, величина которого зависит только от сопротивлениятранзистора в открытом состоянии и тока нагрузки:U DO  I Н RON  35...350 мВ (для p-MOS).(6.29)При небольших нагрузках величина UDO может составлять всегонесколько мВ, при максимальной – не более 300 мВ для всех выпускаемыхпромышленностью стабилизаторов этого типа.Стабилизаторынаn-МОПсоставныхРЭтакжеобеспечиваютминимальное падение напряжения, однако для их нормальной работынеобходим дополнительный источник смещения, который обычно выполняютна коммутируемых конденсаторах.Подведём небольшой итог. Стабилизаторы с транзисторами p-типа (p-n-pи p-МОП) имеют лучшие характеристики по падению напряжения, но склоннык самовозбуждению, чувствительны к параметрам конденсатора на выходе(ёмкостииэквивалентномупоследовательномусопротивлению).Стабилизаторы с транзисторами n-типа (n-p-n, n-МОП) обладают высокойустойчивостью, способны работать с любыми конденсаторами на выходе,однако у n-p-n стабилизаторов недопустимо велико падение напряжения, к39Электропитание РЭАтому жедлятранзисторов.n-МОПОбычноГлава 6требуетсяэтодополнительный источник смещенияповышающийDC/DCпреобразовательнакоммутируемых конденсаторах.

Кроме усложнения схемы, такой источниксоздаёт дополнительный шум коммутации на выходе стабилизатора. Сегоднянаибольшее распространение получили LDO стабилизаторы с одинарными pМОП транзисторами.Основные параметры LDO рассмотрим на примере стабилизатора с nМОП РЭ. На практике такие стабилизаторы используются достаточно редко,однако их схема более удобна для анализа.Падение напряжения на стабилизаторе – это минимальная разностьнапряжения на его входе и выходе, при которой ещё возможен режимстабилизации.

Входное напряжение линейных стабилизаторов, в отличие отимпульсных, всегда выше выходного. На графике выходных характеристикстабилизатора с n-МОП РЭ можно отметить три области – область насыщения,в которой прибор работает как источник тока, активную (омическую) область,где транзистор ведет себя как управляемый напряжением резистор и областьотсечки.Предположим, что по каким-либо причинам ток в нагрузке изменился.Увеличение тока приведёт к росту напряжения на нагрузке. Для восстановленияноминального напряжения рабочая точка стабилизатора переместится, чтоприведёт к увеличению падения напряжения на РЭ и восстановлениюноминального напряжения на выходе стабилизатора.

При снижении входногонапряжения рабочая точка переместится ближе к активной области.На границе между омической областью и областью насыщения имеетсянекотораякритическаяточкаUDO,нижекоторойсхемауправлениястабилизатора отключается и РЭ переходит в активный (омический) режим. Вэтой области выходное напряжение зависит от входного. При этом U DO  I Н RON ,где RON – величина сопротивления РЭ в открытом состоянии, IН – ток нагрузки.40Электропитание РЭАГлава 6Статический ток (ток покоя) определяют как разность между токами навходе и выходе стабилизатора.

Для увеличения КПД стабилизатора стремятсямаксимально снизить величину статического тока. Статический ток зависит отсхемы стабилизатора, используемых компонентов и температуры. В общемслучае ток покоя – это сумма тока смещения ИОНа Ia (см. рисунок 6.13), токачерез резисторы делителя IS, тока усилителя ошибки Ir и тока затворапроходного элемента IDRV (если он не течёт через нагрузку).Для биполярных транзисторов статический ток зависит от выходного(растёт при увеличении тока нагрузки). Для MOSFET статический токпрактически не зависит от тока нагрузки, т.к. прибор управляется напряжением.Основной вклад вносят ток смещения ИОН, резисторов делителя и усилителяошибки. В экономичных схемах (с малым потреблением) обычно используютLDO с MOSFET.КПД LDO стабилизатора определяется статическим током и разностьювходного и выходного напряжений:I выхU вых100% . Iвх  I q U вх(6.30)Для повышения КПД снижают ток покоя и уменьшают падениенапряжения на РЭ.

Чем выше КПД, тем меньше рассеиваемая транзистороммощность. Таким образом, ток покоя и падение напряжения являютсяважнейшими параметрами LDO стабилизаторов.Нестабильность по нагрузке показывает, как изменяется выходноенапряжение в зависимости от изменения тока нагрузки (типовое значение этогопараметра составляет 0,8%). Этот параметр не зависит от частоты, определяетсяусилением при разомкнутой петле обратной связи системы и улучшается приувеличении усиления. Особо неприятный случай – скачкообразное изменениевеличины выходного тока.41Электропитание РЭАГлава 6Стабилизация по входу определяет характер изменения выходногонапряжения в зависимости от изменения входного (типичное значение этогопараметра составляет менее 1%).Как и в предыдущем случае, стабилизация по выходу не зависит отчастоты и определяется параметрами эквивалентной схемы по постоянномутоку. Характер поведения выходного напряжения при скачкообразномизменении входного, показан на рисунке 6.21.Рисунок 6.21 – Изменение выходного напряжения при резком изменениивходногоДинамическая нестабильность определяется как кратковременноеотклонение выходного напряжения при скачкообразном изменении токанагрузки, например с 50 до 100% номинального значения тока.

Обычнонормируется максимальная величина выброса напряжения, которая зависит отёмкостииэквивалентногопоследовательногосопротивления(ESR)конденсатора на выходе и ёмкости конденсатора фильтра.Для примера, скачкообразное изменение тока на 90 мА вызываеткратковременныемаксимальнойзатухающиеамплитудойколебания120мВ.выходногонапряженияНоминальноеснапряжениевосстанавливается приблизительно через 17 мкс.Следует иметь в виду, что на выходе LDO включают конденсатор нетолько определённой ёмкости, но и с нормированным значением ESR.42Электропитание РЭАГлава 6Типичные значения ESR лежат в пределах от 0,2 до 9 Ом дляконденсатора ёмкостью 4,7 мкФ при скачкообразном изменении тока от 0 до250 мА. В LDO могут быть использованы как танталовые и алюминиевые, так имногослойныекерамическиеконденсаторы.ВыходESRзаграницыдопустимых значений приводит к самовозбуждению стабилизатора.К сожалению, конденсаторы с нормированными параметрами не толькоимеют большие размеры, но и дороже стандартных.

Поэтому ведётся активнаяразработка так называемых бесконденсаторных стабилизаторов, т.е. такихприборов, параметры которых практически не зависят от типа ёмкости и ESRконденсаторов на их выходе.Пульсации входного напряжения. Способность LDO противостоятькратковременным изменениям входного напряжения оценивается величинойPSRR (Power Supply Rejection Ratio), равной отношению пульсации напряженияна выходе и входе во всём частотном диапазоне:PSRR U вых ~.U вх~(6.31)PSRR – важнейшая характеристика LDO, определяющая возможность егоиспользования в комбинированных ИЭП для подавления шумов коммутации навыходе импульсного стабилизатора.

Рабочая частота (частота переключения)таких стабилизаторов обычно лежит в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц.Наихудший случай (максимальная точка на графике на рисунке 6.22) – этокогда RESR велико, а ёмкость конденсатора фильтра мала.Рисунок 6.22 – Подавление пульсации входного напряжения43Электропитание РЭАГлава 6Шум на выходе стабилизатора. При неизменном выходном токе иотсутствии пульсации входного напряжения стабилизатор обычно "шумит" вдиапазоне от 10 Гц до 100 кГц, генерируя на выходе напряжение от 50 до500 мкВ.РазработаныспециальныетипыLDOстабилизаторовдляэлектропитания чувствительных схем (например, управляемых напряжениемгенераторов), уровень шума которых снижен до 20 мкВ.Наиболее распространёнными представителями LDO стабилизаторовявляются ИМС LT 1083/1084/1085.

Эти ИМС могут работать при пониженномнапряжении между входом и выходом (до 1...1,3 В) и обеспечивают на выходестабилизированное напряжение в диапазоне 1,25...30 В при токе в нагрузке7,5/5/3 А соответственно. Ближайший по параметрам отечественный аналогтипа КР142ЕН22 имеет максимальный ток стабилизации 5 А.Такие ИМС также имеют встроенную защиту от превышения тока внагрузке и тепловую защиту от перегрева корпуса.Данныестабилизаторыобеспечиваютнестабильностьвыходногонапряжения 0,05%/В, нестабильность выходного напряжения при изменениивыходного тока от 10 мА до максимального значения не хуже 0,1%/В.Типовая схема включения таких стабилизаторов напряжения приведенана рисунке 6.23.Рисунок 6.23 – Типовая схема включения ИМС стабилизатора LT1085Конденсаторы С2...С4 должны располагаться вблизи ИМС и лучше, еслиони будут танталовые.

Ёмкость конденсатора С1 выбирается из условия44Электропитание РЭАГлава 62000 мкФ на 1 А тока. Такие стабилизаторы напряжения экономическицелесообразно применять при токе в нагрузке более 1 А, а также в случаенедостатка места в конструкции.В настоящее время силовые МОП транзисторы нашли широкоеприменение при разработке линейных LDO стабилизаторов постоянногонапряжения.