Классификация
Если рассмотреть упрощенную структурную схему линейного
стабилизатора напряжения, представленную на рисунке 1, можно сделать два очевидных
вывода. Во-первых, основным параметром, определяющим область применения стабилизатора,
является минимально возможное значение падения напряжения между входом и выходом
схемы. Во-вторых, основным элементом, определяющим параметры схемы, является
регулирующий элемент. Именно поэтому общепринятым классификационным признаком
линейных стабилизаторов является исполнение регулирующего элемента.
Рис. 1. Упрощенная структурная схема линейного стабилизатора напряжения
Большинство производителей
обычно выделяет два класса: стандартные линейные стабилизаторы и линейные
стабилизаторы с малым падением напряжения LDO (Low DropOut).
Стандартный линейный стабилизатор в качестве регулирующего элемента использует
составной NPN-транзистор (схема Дарлингтона), управляемый PNP-транзистором.
Падение напряжения в этом случае составляет 1,1...2,5 В. Этот тип микросхем
долгое время выпускается многими производителями, в т.ч. и ON Semiconductor.
Некоторая «древность» этих изделий совсем не говорит о том, что они не востребованы
— они пользуются заслуженным уважением у разработчиков, у них есть и останется
своя ниша. Но поскольку новинками эти изделия считались достаточно давно,
они не рассматриваются в данной статье. С линейкой этих микросхем, предлагаемых
компанией ON Semiconductor, можно познакомиться в [1].
Стабилизаторы с малым падением напряжения используют в качестве регулирующего
элемента биполярный PNP-транзистор или полевой транзистор (одиночный либо
составной). Падение напряжения в этом случае составляет десятые доли вольта,
что, безусловно, расширяет область применения LDO-стабилизаторов.
С точки зрения области применения, компания ON Semiconductor разделяет LDO-стабилизаторы
на универсальные (Multi-market) и стабилизаторы для автомобильных приложений
(Automotive). Стабилизаторы для автомобильных приложений (префикс NCV в обозначении)
производитель выделяет в отдельную группу, поскольку область применения накладывает
на изделия ряд специфических требований:
– максимальное значение входного напряжения не ниже 12 В, что определяется
напряжением сети питания автомобиля;
– устойчивость к кратковременным броскам напряжения в сети;
– широкий диапазон рабочих температур (–40…125°С);
– защита от включения с обратной полярностью;
– защита от перегрева кристалла;
– ограничение максимального тока в нагрузке (защита от короткого замыкания
(КЗ)).
Линейка LDO-стабилизаторов для автомобильных приложений компании ON Semiconductor
рассмотрена в [1] и в данной статье не обсуждается.
Универсальные LDO-стабилизаторы ON Semiconductor
К универсальным LDO-стабилизаторам жесткие требования,
характерные для Automotive, не применяются. Хотя наличие защиты от перегрева
кристалла и защиты от КЗ — это скорее правило, чем исключение.
Характерным для универсальных LDO-стабилизаторов являются:
– низковольтные номиналы выходного напряжения: 0,8...3,3 В и традиционные
5,0 В;
– максимальное входное напряжение, как правило, не выше 12 В.
В линейных стабилизаторах большая разница между входным и выходным напряжением
нежелательна — снижается КПД стабилизатора, рассеиваемое тепло на регулирующем
элементе нагревает кристалл, возникает необходимость в радиаторе и т.д. Все
это в результате сказывается на цене конечного изделия. Для изделий с батарейным
питанием, наоборот, критичным является снижение падения напряжения на регуляторе
и, как следствие, возможность работы от минимально возможного входного напряжения
при разряде батареи.
Для упрощения выбора LDO-стабилизатора на рисунке 2 представлена номенклатура
этих микросхем, предлагаемых компанией ON Semiconductor. В качестве классификационного
критерия выбран максимально допустимый ток в нагрузке.
Рис. 2. Номенклатура универсальных LDO-стабилизаторов компании ON Semiconductor
Особый интерес представляют
новые изделия, появившиеся на рынке в 2009 г. Среди них следует выделить микросхемы
CAP621x и NCP69x. Очевидно, что любое новое изделие выводится на рынок с целью
либо восполнить пробел в существующей линейке, либо заменить существующее
изделие новым с улучшенными параметрами, которые были бы востребованы в современных
приложениях. Для этого целесообразно сравнивать технические характеристики
новых микросхем с параметрами выпущенных ранее.
Критерии сравнения
Какие параметры целесообразно учитывать при сравнении?
Очевидно, что основной эксплуатационной характеристикой является величина
падения напряжения на регулирующем элементе. Она влияет, во-первых, на возможную
область применения изделия и, во-вторых, на мощность, рассеиваемую стабилизатором
в процессе работы. Далее следует учитывать величину статического тока (Quiescent
Current или Ground Current — ток покоя или ток на землю, соответственно).
Это разница между входным током и током в нагрузке является током, потребляемым
внутренними схемами стабилизатора: усилителем рассогласования, источником
опорного напряжения и делителем напряжения.
Качество работы стабилизатора определяется точностными характеристиками, а
именно:
– точностью установления выходного напряжения;
– нестабильностью по напряжению;
– нестабильностью по нагрузке;
– коэффициентом подавления пульсаций источника питания PSRR (Power Supply
Ripple Rejection);
– шумом выходного напряжения;
– температурным коэффициентом выходного напряжения.
Точностные параметры. Определения и нюансы
Точность установления выходного напряжения —
это отклонение выходного напряжения от его номинального значения. Оно определяется,
главным образом, разбросом параметров элементов, входящих в схему стабилизатора.
По сути, это точность соответствия номиналу при неизменном, без пульсаций,
входном напряжении, постоянной нагрузке, постоянной температуре кристалла.
Например, точность 2% для CAP6217-250 означает, что выходное напряжение имеет
постоянную величину и находится в диапазоне 2,5±0,05 В при постоянном входном
напряжении 3,4...5,5 В, постоянном токе нагрузки 0,1...150 мА и постоянной
температуре кристалла 25°C.
Нестабильность по напряжению.
Ступенчатое изменение входного напряжения приведет к броску напряжения
на выходе. Коэффициент стабилизации — это отношение изменения выходного напряжения
к изменению входного, выраженное в процентах. В абсолютном измерении пульсация
по входу выражается в вольтах; при этом предполагается, что изменение входного
напряжения составляет 1 В. Оригинальный термин — Line Regulation используется
в обоих случаях, поэтому следует обращать внимание на единицу измерения.
Нестабильность по нагрузке.
Изменение тока в нагрузке от минимального до максимального значений
вызовет бросок выходного напряжения. Этот параметр может задаваться как процент
от выходного напряжения или как абсолютное значение (пульсация по нагрузке)
в вольтах. В обоих случаях в оригинальных спецификациях используется термин
Loan Regulation.
Параметр PSRR характеризует
степень подавления шумовой составляющей входного напряжения. По определению
зависит от частоты шума. В спецификациях обычно задается в виде графика. Если
указан в виде числа, то необходимо искать ссылку — о какой частоте идет речь.
Шум выходного напряжения.
Даже при неизменном входном напряжении и неизменном токе в нагрузке
стабилизатор «шумит», формируя на выходе пульсацию 50…500 мкВ в частотном
диапазоне 10 Гц...100 кГц. В спецификациях используется единица измерения
VRMS (RMS — среднеквадратичное отклонение).
Температурный коэффициент выходного напряжения — дрейф выходного
напряжения при изменении температуры кристалла. Размерность — %/°C или ppm/°C.
ppm (Parts per Million) — число частей на миллион. Например, 100 ppm/C — то
же самое, что и 0,01%/С.
CAP6217 и LDO-стабилизаторы 150 мА
Несколько слов о CAP6217. Универсальный LDO-стабилизатор
с регулирующим элементом на полевом транзисторе. Отличительной особенностью
производитель называет минимальное время отклика при изменении входного напряжения
или сопротивления нагрузки, что положительно сказывается на величине пульсаций
выходного напряжения. Особые требования по обеспечению устойчивости отсутствуют.
Встроенные защиты: от перегрева кристалла и ограничение тока в нагрузке (защита
от КЗ). Наличие входа отключения от нагрузки. Дополнительные выходы (флаг
ошибки, сброс по включению питания) отсутствуют. Стабилизатор выполнен в 5-выводном
корпусе TSOP-23. Схема включения приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Типовая схема включения CAP6217
В таблице 1 сведены основные технические характеристики
LDO-стабилизаторов с максимальным током нагрузки 150 мА.
Таблица 1. Характеристики LDO-стабилизаторов
с током нагрузки 150 мА
Некоторые пояснения
к таблице.
Для сопоставимости
данных в качестве первоисточников использовались технические спецификации
(datasheets) производителя. При этом параметры были приведены к единой базе,
а именно:
1. Падение напряжения различно для стабилизаторов с разным выходным напряжением.
В таблице все значения приведены для изделий с выходным напряжением 2,5 В
(для NCP629 — 2,8 В).
2. Под статическим током понимался ток, потребляемый стабилизатором при подключенной
максимальной нагрузке, а не ток при отключенной нагрузке (режим Shutdown).
3. При различных вариантах точность выходного напряжения выбиралась для изделий
с выходным напряжением 2,5 В.
4. Если нестабильность по входу и по нагрузке были заданы в процентах, то
они пересчитывались в напряжения. При этом считалось, что изменение входного
напряжения составляет 1 В и имелся в виду стабилизатор с выходным напряжением
2,5 В.
5. Коэффициент подавления шума приведен для частоты 1 кГц.
Какие выводы о CAP6217 можно сделать из анализа таблицы? Для большинства отдельно
рассматриваемых параметров CAP6217 можно подобрать изделие с лучшими характеристиками
(особенно это касается падения напряжения и статического тока). Но если рассматривать
совокупность параметров в комплексе, то необходимо признать его приоритет,
поскольку:
1. Максимальное входное напряжение равно 6 В, и отсутствие изделия с выходным
напряжением 5 В существенным недостатком считать нельзя. Если исходить из
того, что назначение изделия — формирование низковольтных напряжений от вторичного
источника питания 5 В, то этого достаточно.
2. Преимущество NCP629 и NCP600 в отношении падения напряжения на регулирующем
элементе незначительно. По крайней мере, и по этому параметру CAP6217 входит
в первую тройку.
3. По статическому току CAP6217 уступает только изделиям NCP551, NCP561 и
NCP698, в которых минимизация этого параметра была сформулирована как цель.
Возможно, она достигалась за счет остальных характеристик.
4. По точностным характеристикам изделие если не лучшее, то как минимум одно
из лучших в этом классе.
5. Отметим очевидное преимущество по такому параметру как температурный дрейф.
Стабилизаторы с параметром 100 ppm/C при изменении температуры в диапазоне
25...125°C дадут смещение на 1% при равных начальных условиях. У CAP6217 оно
составит 0,4%. Отметим при этом начальное преимущество CAP6217 в точности,
т.е. соответствие номиналу при 25°C.
6. Достигнутые плюсы не являются результатом усложнения схемы включения или
внешних пассивных элементов (обвязки). Конденсаторы на входе и выходе номиналом
1 мкФ — типовое требование для всей рассматриваемой группы. Требования по
значению ESR также необременительны. И, наконец, наличие конденсатора между
выходом BYP и землей носит рекомендательный характер — его включение улучшает
качество подавления входных шумов в широком частотном диапазоне.
LDO-стабилизаторы с током нагрузки 300 и 500 мА
Новое семейство универсальных LDO-стабилизаторов CAP621x
представлено в этих классах двумя микросхемами CAP6218 (ток нагрузки 300 мА)
и CAP6219 (500 мА). Тип корпуса, разводка выводов и типовая схема включения
аналогичны CAP6217. В таблицах 2 и 3 представлены основные технические характеристики
универсальных LDO-стабилизаторов с током нагрузки 300 и 500 мА, соответственно.
Таблица 2. Характеристики LDO-стабилизаторов с током нагрузки 300 мА
Таблица 3. Характеристики LDO-стабилизаторов с током нагрузки 500 мА
Отметим, что микросхемы
MC33275 и MC33375 идентичны по своим параметрам и отличаются только либо отсутствием,
либо наличием входа отключения нагрузки On/Off.
Выводы из таблицы 2.
1. Микросхемы MC33x75 уступают не только CAP6218, но и остальным микросхемам
по всем параметрам. Их ниша — стабилизаторы с входным напряжением 6...12 В.
2. Микросхема NCP585, безусловно, позиционируется как стабилизатор с минимальным
током потребления. Она имеет приоритет перед CAP6218 только в тех приложениях,
где этот параметр наиболее важен, а остальные не являются существенными.
3. Преимущество NCP603 — в наличии модификации с выходным напряжением 5 В.
(Еще раз заметим, что отсутствие этой модификации во всех микросхемах CAP621x
говорит о том, что целевое назначение этих стабилизаторов не ориентировано
на 5-В питание.) Технические параметры CAP6218 перекрывают остальные модификации
NCP603.
4. Новая микросхема CAP6218 — универсальный для этого класса стабилизатор,
оставляющий предшественникам достаточно узкие ниши в применении.
Идентичность параметров объясняется аналогично. NCP5500 и NCP5501 отличаются
только типом корпуса, а NCP605 и NCP606 — отсутствием и наличием входа отключения
нагрузки.
Выводы из таблицы 3.
1. Представляется, что в этом классе преимущества от точностных характеристик
не так заметны. Лишние 70...100 мВ в падении напряжения при токе 0,5 А в комплексе
параметров могут оказаться критичными.
2. В приложениях с входным напряжением до 6 В стабилизаторы CAP6219 предпочтительнее
NCP550x по параметрам статического тока и точности.
3. Конкуренцию в этой нише могут составить стабилизаторы NCP60x. Плюсы новых
микросхем CAP6219 — более высокие точностные характеристики. Минусы — более
высокое падение напряжения на регулирующем элементе.
Таким образом, среди универсальных LDO-стабилизаторов с выходным током 150…500
мА новое семейство CAP621x является наиболее универсальным. Соответственно,
компания ON Semiconductor, определяя возможные области его применения, называет
сотовые телефоны (высокая точность, минимум шумов на выходе); изделия с батарейным
питанием (малое падение напряжения и малый статический ток) и потребительская
электроника (разумная цена изделия с учетом обвязки и высокие пользовательские
характеристики). Сочетание во многом взаимоисключающее и говорящее о высокой
универсальности этих изделий.
|
