Применение линейных регуляторов в качестве активных фильтров питания

20 апреля

Николай Вашкалюк (КОМПЭЛ)

Линейные стабилизаторы могут эффективно использоваться не только для стабилизации напряжения, но и в качестве активных фильтров питания. Такое решение позволяет эффективно подавлять пульсации импульсных источников, обеспечивая при этом стабильность напряжения и компактность схемы. В статье рассмотрим преимущества этого подхода на примере современных микросхем.

Современные электронные устройства все чаще используют импульсные источники питания (ИИП) благодаря их высокой энергоэффективности и компактности. Однако этот выигрыш достигается ценой возникновения на их выходе целого спектра высокочастотных пульсаций, обусловленных периодической коммутацией силового ключа и индуктивного элемента. В прецизионных аналоговых схемах, таких как аудиоаппаратура высокого класса, медицинские приборы и измерительные системы, даже незначительные помехи способны исказить обрабатываемый сигнал или снизить точность измерений. Поэтому задача фильтрации выходного напряжения ИИП является актуальной на этапе проектирования систем питания.

Пассивная фильтрация: классический подход и его ограничения

Традиционным решением для подавления пульсаций служит пассивный LC-фильтр, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора (рисунок 1). Такая схема формирует фильтр нижних частот (ФНЧ): начиная с частоты среза, определяемой параметрами L и C, ослабление помех возрастает со скоростью 40 дБ/декада. При этом потери по постоянному току минимальны и обусловлены лишь активным сопротивлением (DCR) катушки.

Рис. 1. Использование LC-фильтра для уменьшения пульсаций выходного напряжения ИИП

Однако у пассивного подхода есть существенные недостатки:

• Эффективность фильтрации ограничена узким частотным диапазоном: современные контроллеры ИИП, как правило, работают в адаптивных режимах, где частота коммутации динамически изменяется в зависимости от нагрузки. Это делает настройку LC-фильтра под конкретную частоту неэффективной в реальных условиях эксплуатации.
• Для достижения низкой частоты среза требуются габаритные и дорогие катушки с высокой индуктивностью.
• Что принципиально важно, пассивный фильтр не содержит контура регулирования напряжения: выходное напряжение определяется исключительно характеристиками ИИП, а падение напряжения на DCR катушки приводит к зависимости выходного уровня от тока нагрузки.

В схемах с переменной нагрузкой это может вызвать нестабильность питания и ухудшение точности работы.

Линейные стабилизаторы как активные фильтры

Интересным и эффективным решением стало использование линейных стабилизаторов не по прямому назначению, то есть для понижения напряжения (рисунок 2), а в роли активного фильтра питания (рисунок 3). Несмотря на то, что в силовых приложениях линейные регуляторы во многом уступили место ИИП из-за низкого КПД, благодаря своим характеристикам они могут применяться в качестве решений для фильтрации.

Рис. 2. Схема простейшего линейного регулятора

Ключевым параметром здесь выступает коэффициент подавления пульсаций питающего напряжения (Power Supply Rejection Ratio, PSRR). Линейный стабилизатор с высоким PSRR эффективно отсекает переменную составляющую входного напряжения, пропуская только постоянную компоненту. На частоте 100 кГц и выше, типовой для большинства импульсных преобразователей, значение PSRR современных регуляторов может достигать 75…80 дБ, что соответствует ослаблению пульсаций более чем в 10 000 раз.

В качестве примера простых в применении линейных стабилизаторов, подходящих для использования в роли активного фильтра, можно привести две микросхемы с разными акцентами в характеристиках.

Серия RS3007 производства компании Runic, которая широко применяется в проектах наших заказчиков, представляет собой типовое рабочее решение в виде стабилизатора с широким входным диапазоном (до 45 В), током покоя всего 3 мкА, выходным током до 300 мА и стандартными фиксированными напряжениями (1,8, 2,5, 3,0, 3,3 и 5,0 В). При этом модели этой серии обеспечивают уровень подавления помех 77 дБ на частоте 1 кГц и выполнены в 5 вариантах корпусов.

Второй пример – новая серия CJ6216, выпускаемая компанией JSCJ – демонстрирует, что высокие параметры не обязательно означают усложнение схемы. Несмотря на высокий показатель PSRR (98 дБ на 1 кГц) и ультранизкий уровень собственного шума (4,5 мкВ СКЗ), эти регуляторы сохраняют простоту применения: типовая схема включения остается минималистичной, а дополнительные компоненты не требуются.

Таким образом, оба примера подчеркивают, что эффективная фильтрация питания может быть реализована с помощью простых и доступных линейных стабилизаторов (рисунок 3) – как сбалансированных по характеристикам, так и ориентированных на максимальную чистоту выходного напряжения.

Рис. 3. Линейный стабилизатор, используемый в качестве фильтра

Важное преимущество линейного стабилизатора перед пассивным фильтром – наличие собственного контура обратной связи. Он обеспечивает не только подавление помех, но и точную стабилизацию выходного напряжения независимо от изменений тока нагрузки. В результате на выходе формируется напряжение, сочетающее в себе высокую точность и спектральную чистоту – качества, недостижимые при использовании простого LC-фильтра.

Компактность решения также заслуживает внимания: линейный стабилизатор в корпусе SOT23, DFN или даже в SOP8 занимает значительно меньше места на печатной плате, чем набор из мощной катушки и конденсаторов требуемой емкости. 

Учет собственного шума линейного стабилизатора

Однако следует учитывать, что сам линейный регулятор не является идеальным устройством: внутренний опорный источник и усилитель ошибки генерируют собственный шум. В высокочувствительных приложениях этот фактор может стать ограничивающим. Для подобных случаев разработаны специализированные ультрамалошумящие стабилизаторы, некоторые примеры которых были более подробно рассмотрены в серии статьей, посвященных малошумящему питанию: Формирование системы питания с малым шумом для аналогового тракта. Части 1, 2 и 3.

Заключение

Таким образом, линейный стабилизатор, применяемый в роли активного фильтра питания, предлагает комплексное решение проблемы подавления пульсаций ИИП. В отличие от пассивных LC-фильтров, он обеспечивает широкополосное подавление помех, независимость выходного напряжения от тока нагрузки, высокую точность стабилизации и компактную реализацию. При этом для особо критичных применений доступны специализированные малошумящие модели, минимизирующие влияние собственных шумов регулятора.

Выбор между пассивной и активной фильтрацией определяется требованиями конкретного приложения. Если допустимы умеренные пульсации, а стабильность напряжения не критична, достаточно LC-фильтра. Если же нужно спектрально чистое и точно стабилизированное питание для чувствительных аналоговых схем, линейный стабилизатор становится предпочтительным решением.

Дополнительные материалы

1. Формирование системы питания с малым шумом для аналогового тракта. Часть 1
2. Формирование системы питания с малым шумом для аналогового тракта. Часть 2
3. Формирование системы питания с малым шумом для аналогового тракта. Часть 3