Повышаем точность регулирования выходного напряжения источника питания с помощью инструмента для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD

22 декабря 2021

универсальное применениеAnalog DevicesстатьяLDODC-DCСАПРрезистивный делитель

Хосе Рамон Сан Буэнавентура, Генри Чжан (Analog Devices)

Как выбрать компоненты для источника питания с правильными допусками? Для этого специалисты Analog Devices рекомендуют использовать инструмент для расчета резистивного делителя, интегрированный в программу LTpowerCAD. Он позволяет оценить ошибки в выходном напряжении при неверно выбранном допуске.

Блоки питания можно встретить практически в любой схеме. Наличие в схеме радиоприемопередатчиков, микропроцессоров, ПЛИС и усилителей – это гарантия того, что где-то есть блок питания. Он является важной частью любой аналоговой или цифровой схемы.

Как и любой другой компонент, преобразователи питания бывают разных размеров и форм. Различные архитектуры, такие как линейные регуляторы или импульсные DC/DC-преобразователи, имеют свои преимущества и недостатки в зависимости от применения. Но все эти архитектуры объединяет то, что выходной сигнал зачастую устанавливается комбинацией внешних компонентов, чаще всего – резистивным делителем.

С помощью инструментов моделирования источник питания может быть спроектирован в соответствии с необходимыми спецификациями и рассчитан с соответствующими им значениями компонентов. Несмотря на то, что результаты моделирования могут выглядеть многообещающе, в реальных условиях существуют некоторые ограничения. Одним из распространенных примеров таких ограничений может быть допуск компонентов. В действительности реальные значения таких компонентов, как резисторы или конденсаторы, могут отличаться от заявленных, и именно допуск описывает это отклонение. Смоделированная комбинация резисторов 57 кОм и 23 кОм для получения напряжения 5 В будет отличаться от реальной комбинации 57 кОм и 23 кОм, так как компоненты имеют допуск. Помимо погрешности самого преобразователя, точность выходного напряжения также зависит от этого допуска.

Расчет выходного напряжения преобразователя

Многие микросхемы преобразователей напряжения Analog Devices имеют вывод обратной связи (вывод FB или ADJ). Таким образом, выходное напряжение можно установить с помощью пары внешних резисторов RTOP и RBOT, где RTOP подключается к контактам VOUT и FB, а RBOT соединяет контакт FB с нулем.

Обычно стандартное уравнение (1) в даташите имеет вид:

$$V_{OUT}=V_{REF}\times \left(1+\frac{R_{TOP}}{R_{BOT}} \right),\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где VREF – внутреннее опорное напряжение. В качестве примера возьмем формулу выходного напряжения линейного регулятора LT3062. На рисунке 1 показано его расчетное выходное напряжение.

Рис. 1. Выходное напряжение для LT3062

Рис. 1. Выходное напряжение для LT3062

При внутреннем, предполагаемо точном, генерируемом опорном напряжении (VREF = 0,6В LT3062) цень обратной связи делителя выходного напряжения (R1 и R2) определяет уровень напряжения, который регулирует микросхема (таблица 1). В уравнении для LT3062 есть дополнительный член IADJ, непреднамеренный ток смещения, протекающий из вывода ADJ. Его типовое значение составляет 15 нА, но может достигать 60 нА, как показано в таблице электрических параметров (ЕС), и это может вызвать дополнительную ошибку регулирования VOUT.

Таблица 1. LT3062: комбинации R1 и R2 для общих уровней выходного напряжения

VOUT (В) R1 (кОм) R2 (кОм)
1,2 118 118
1,5 121 182
1,8 124 249
2,5 115 365
3 124 499
3,3 124 562
5 115 845
12 124 2370
15 124 3010

Если используются резисторы R1 и R2 с допуском в 1%, то какова общая погрешность Vo, вызванная резистивным делителем – 1 или 2%? Следует ли использовать резисторы 0,5% или 0,1% для данного применения? Могут потребоваться определенные уровни точности выходного напряжения, и выбор правильных резисторов играет ключевую роль. Возможно, вы не захотите использовать резисторы с очень низким допуском (они могут стоить значительно дороже менее точных компонентов), если целевая ошибка может быть достигнута с помощью резистора с более высоким допуском.

Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD

Для облегчения проектирования можно использовать инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD® (рисунок 2). LTpowerCAD – это программа проектирования источников питания, снабженная набором инструментов для проектирования, включая инструмент для проектирования резисторных делителей. Инструмент для расчета резисторного делителя учитывает такие входные данные, как желаемый уровень выходного напряжения VOUT и опорное напряжение регулятора VREF (напряжение на выводе ADJ или FB), а затем, в зависимости от выбранного допуска, рекомендует имеющиеся в стандартном ряду значения резисторов для достижения желаемого напряжения (рисунки 3…6).

С помощью этого инструмента оцениваются две ошибки:

1) Ошибка, вызванная стандартными дискретными значениями стандартного резистора. Примечание: для заданных значений VOUT и VREF инструмент автоматически выбирает наиболее подходящую пару значений стандартных резисторов, чтобы минимизировать эту ошибку, поэтому фактическое значение VOUT наиболее близко к целевому значению.

2) Ошибка, вызванная допуском резистора для данной комбинации VOUT и VREF. Фактически, с парой резисторов с точностью до 1% в делителе эффективный допуск делителя становится функцией коэффициента делителя в диапазоне от 1% до 2%. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD суммирует эти две ошибки для получения общего допуска R-делителя. Это позволяет инженеру увидеть общую ошибку и решить, какой уровень допуска резистора (0,1%, 0,5%, 1% или 2%) будет необходим для достижения конечной цели.

Рис. 2. Откройте инструмент для расчета резистивного делителя на панели инструментов LTpowerCAD

Рис. 2. Откройте инструмент для расчета резистивного делителя на панели инструментов LTpowerCAD

Данный инструмент имеет дополнительную возможность ввода пользовательских значений верхнего или нижнего резистора, при этом также учитывая целевой или допустимый допуск компонентов. Помимо рекомендаций по номиналу резистора, данный инструмент также показывает расчеты ошибок, связанных с допуском компонентов по отношению к идеальному и фактическому VOUT. С помощью этих параметров разработчики могут получить представление об ожидаемом диапазоне напряжений с учетом выбранных допусков компонентов и оценить, подходит ли он для целевого приложения. И, наконец, этот инструмент также имеет функцию поиска резисторов стандартного номинала для любого заданного значения, что упрощает поиск компонентов.

Дополнительные ошибки и компенсация

Следует отметить, что инструмент для расчета резистивного делителя оценивает только ошибку постоянного тока резисторного делителя. Он не включает другие ошибки постоянного тока, которые должны быть добавлены к ошибке резисторного делителя для общей точности регулирования VOUT источника питания.

Эти дополнительные ошибки включают:

1) ошибку VREF внутреннего опорного напряжения преобразователя, которая обычно находится в диапазоне от 0,5% до 1,5% и может быть найдена в таблице данных в даташите;

2) ошибки регулирования линии питания и нагрузки, которые также можно найти в даташите;

3) ошибку тока утечки вывода ADJ или FB, как в примере LT3062, при выборе более низкого значения RBOT из-за желания уменьшить значение этой ошибки;

4) дополнительные ошибки, вызванные сопротивлением проводников на печатной плате между преобразователем и удаленной нагрузкой и т. д. Все эти ошибки следует учитывать для оценки общей ошибки при проектировании источника питания. 

Кроме того, высокоточная электронная система может также иметь строгие требования к общему допуску выходного напряжения питания, включая ошибку постоянного тока и пульсации переменного тока. Например, для многих сильноточных ASIC и FPGA требуется окно общего допуска ± 2% или ± 3%, включая ошибку постоянного тока и пульсации переменного тока. Чтобы соответствовать этому строгому требованию, источник питания должен быть спроектирован с быстрой переходной характеристикой, а также иметь большие выходные конденсаторы, чтобы минимизировать пульсации VOUT во время быстрых переходных процессов при изменении нагрузки. В этом случае очень важно выбрать ИС с жестким допуском VREF. Для сильноточных шин желателен регулятор с дистанционным измерением напряжения. Кроме того, экономия места и стоимости выходных конденсаторов будет намного больше, чем небольшое увеличение стоимости при использовании резистора на 0,5% или даже 0,1%. Также полезно использовать высоко интегрированные модули, такие как μModule® серии ADI LTM, которые определяют общий допуск регулирования выходного напряжения (включая VREF, ошибки при изменении входного напряжения и нагрузки) для проектирования высокопроизводительных источников питания.

Рис. 3. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: рекомендации по подбору резисторов

Рис. 3. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: рекомендации по подбору резисторов

Рис. 4. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: выбор RTOP и RBOT

Рис. 4. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: выбор RTOP и RBOT

Рис. 5. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: расчет ошибки

Рис. 5. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: расчет ошибки

Рис. 6. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: стандартный измеритель сопротивления

Рис. 6. Инструмент для расчета резистивного делителя в программе LTpowerCAD: стандартный измеритель сопротивления

Заключение

В зависимости от целевого применения требуются определенные уровни допуска VOUT у источника питания. Погрешность в несколько милливольт может быть решающим аспектом в различных системах, поэтому необходимо учитывать соответствующие конструктивные особенности.

Одним из внешних и контролируемых факторов точности регулятора является допуск компонентов. Разница между резисторами с допуском 0,5% и допуском 2% может существенно повлиять на производительность вашей системы, а выбор правильных компонентов снижает вероятность ошибок. Выбор правильных компонентов также помогает минимизировать затраты и повысить надежность, поскольку необходимость в замене компонентов будет минимизирована или вовсе исключена.

Используя инструмент для расчета резистивного делителя программы LTpowerCAD, инженеры могут заметить влияние допусков компонентов на конструкцию своих источников питания. Первоначально выбирая целевое выходное напряжение и опорное напряжение на выводах, разработчики могут: (1) получить наиболее подходящую пару резисторов из стандартного ряда для заданного выходного напряжения, (2) получить значения верхнего и нижнего резисторов и (3) достичь желаемого диапазона погрешности напряжения, учитывая допуски компонентов в резистивном делителе.

Благодаря данным возможностям, а также стандартному поиску резисторов, инструмент для расчета резистивного делителя является полезным при проектировании источников питания. особенно – начинающим инженерам, которые только осваивают проектирование блоков питания. Используя этот инструмент, инженер может спроектировать источники питания, соответствующие спецификациям, необходимым для предполагаемого применения, и обеспечить оптимальную производительность и мощность, подаваемую на различные системные блоки.

Оригинал статьи

                                               Перевел Антон Хомяков по заказу АО Компэл

•••

Наши информационные каналы

О компании Analog Devices

  Компания Analog Devices (AD, ADI) основана в 1965 году в Кембридже, штат Массачусетс, США двумя инженерами – выпускниками Массачусетского Технологического института (MIT) Рэем Стейтой (Ray Stata – первый президент и CEO) и Мэттью Лорбером (Matthew Lorber) с целью разработки и производства интегральных операционных усилителей (ОУ) – новых в тот момент на бурно развивающемся рынке полупроводниковой электроники изделий. Уже через три года продажи компании достигли 5,7 млн. USD. К 1970 AD о ...читать далее

Товары
Наименование
LT3062EDCB-5#TRPBF (AD)
LT3062HDCB#TRPBF (AD)
LT3062IDCB#TRPBF (AD)
LT3062IMS8E#TRPBF (AD)
LT3062MPMS8E#PBF (AD)
LT3062MPMS8E#PBF (AD-LTC)
LT3062EDCB#TRMPBF (AD)
LT3062EDCB#TRMPBF (AD-LTC)
LT3062EMS8E#PBF (AD)
LT3062EMS8E#PBF (AD-LTC)
LT3062HMS8E#PBF (AD)
LT3062HMS8E#PBF (AD-LTC)
LT3062IDCB-3.3#TRPBF (AD)
LT3062IMS8E-3.3#PBF (AD)
LT3062MPMS8E#TRPBF (AD)
LT3062EDCB#TRPBF (AD)
LT3062EMS8E#TRPBF (AD)
LT3062HMS8E#TRPBF (AD)
LT3062IDCB-5#TRPBF (AD)
LT3062MPDCB#TRMPBF (AD)
LT3062MPDCB#TRMPBF (AD-LTC)
LT3062EDCB-3.3#TRPBF (AD)
LT3062HDCB#TRMPBF (AD)
LT3062HDCB#TRMPBF (AD-LTC)
LT3062IDCB#TRMPBF (AD)
LT3062IDCB#TRMPBF (AD-LTC)
LT3062IMS8E#PBF (AD)
LT3062IMS8E#PBF (AD-LTC)