Сравнение линейного и импульсного регуляторов в промышленных применениях с шиной 24 В

Рич Новаковски, Роберт Тэйлор (Texas Instruments)

Линейные регуляторы применяются уже в течение нескольких десятилетий. Некоторые разработчики до сих пор используют эти компоненты 20-летней давности не только в старых проектах, но и в новых. Другие продолжают делать свои собственные «линейники» из дискретных компонентов. В самом деле, в большинстве приложений сложно придумать что-то проще, чем линейные регуляторы. Однако в маломощных устройствах со входом 24 В, например, в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) могут возникнуть проблемы с выделением тепла, если падение напряжения будет слишком большим. К счастью, благодаря тому, что появились небольшие импульсные регуляторы с широким входом по напряжению и с высоким КПД, у разработчиков есть несколько вариантов для выбора. Сравним три различных решения для преобразователя с входом 24 В и с выходными параметрами 5 В, 100 мА: синхронный понижающий преобразователь, интегрированный линейный регулятор и линейный регулятор на дискретных компонентах. Размеры, КПД системы, температурные характеристики, отклик на импульсную нагрузку, шумы, сложность и стоимость сопоставляются, чтобы помочь разработчикам выбрать наиболее оптимальное решение, отвечающее их требованиям.

Условия сравнения

Большинство индустриальных приложений работает от 24 В и требует 5 В для питания различных нагрузок, таких как логика и маломощные микропроцессоры. Выходной ток 100 мА выбран, так как его обычно достаточно для питания логики и процессоров. Однако на решение, что же все-таки применить – импульсный или линейный регулятор влияет, в первую очередь, мощность потерь, которую необходимо рассеять. Электрические схемы сравниваемых решений представлены на рисунках 1, 2 и 3. Все решения спроектированы на идентичных печатных платах с керамическими конденсаторами 1 мкФ на входе и 4,7 мкФ на выходе. В решении на рисунке 1 применяется микросхема TPS54061 производства компании Texas Instruments. Это – синхронный понижающий преобразователь со встроенными MOSFET. Следует обратить внимание, что это решение не требует диода, но необходимо использовать дроссель, 5 конденсаторов и 4 резистора.

Рис. 1. Импульсный понижающий конвертер со встроенными MOSFET

Рис. 1. Импульсный понижающий конвертер со встроенными MOSFET

Данная микросхема имеет внешнюю компенсацию обратной связи, которая настроена для работы с такими же конденсаторами на входе и выходе, как и у линейных регуляторов на рисунках 2 и 3. На рисунке 2 изображена электрическая схема интегрированного линейного регулятора Texas Instruments LM317. У этой микросхемы широкий вход по напряжению, максимальный выходной ток 1,5 А, и в обвязке всего два резистора и два конденсатора. Микросхема очень популярна среди разработчиков благодаря простоте. Большая разница между входным и выходным напряжениями требует низкого теплового сопротивления корпуса, поэтому был выбран корпус D2PAK (double-decawatt package).

Рис. 2. Интегрированный линейный регулятор с широкополосным входом

Рис. 2. Интегрированный линейный регулятор с широкополосным входом

На рисунке 3 изображен дискретный линейный регулятор, состоящий из транзистора и стабилитрона с двумя внешними конденсаторами и четырьмя внешними резисторами. Стабилитрон на базе биполярного NPN-транзистора устанавливает уровень напряжения 5,6 В. Из-за падения напряжения «база-эмиттер» напряжение на выходе стабилизируется на уровне приблизительно 5 В. Внешние резисторы используются для того чтобы уменьшить потери на NPN-транзисторе.

Рис. 3. Дискретный линейный регулятор

Рис. 3. Дискретный линейный регулятор

В таблице 1 все три решения сравниваются по количеству компонентов обвязки и площади, занимаемой на печатной плате. Линейные решения требуют больше места на плате, чтобы лучше отводить рассеиваемую мощность. При максимальной нагрузке каждый «линейник» должен рассеивать около 2 Вт мощности. Главное правило, о котором следует помнить, заключается в том, что на площади 1 дюйм2 при рассеянии мощности 1 Вт температура возрастает на 100°С. Линейные регуляторы спроектированы таким образом, чтобы максимальный рост температуры был не более 40°С. Если на печатной плате мало места – оптимально применить синхронный понижающий импульсный преобразователь, несмотря на большое количество внешних компонентов и необходимость выбрать дроссель и рассчитать цепочку компенсации обратной связи.

Таблица 1. Сравнение решений по занимаемой площади и количеству компонентов

Тип преобразователя Занимаемая площадь на печатной плате, дюйм² Количество компонентов Сложность решения
Импульсный (понижающий) (TPS54061) 0,14 11 Высокая
Интегрированный линейный (LM317) 2,25 5 Низкая
Дискретный линейный (стабилитрон/транзистор) 2,25 8 Средняя

Тепловые характеристики

Фотография на рисунке 4, сделанная тепловизором, отображает распределение температуры на печатной плате каждого из приведенных решений. Печатная плата спроектирована таким образом, что соседние схемы не влияют на нагрев друг друга.

Рис. 4. Выделяемое от каждой схемы тепло

Рис. 4. Выделяемое от каждой схемы тепло

Из таблицы 2 видно, что импульсный регулятор нагревается минимально, всего на 11°С. При большой разнице между входным и выходным напряжением импульсный регулятор с синхронным выпрямлением значительно превосходит по КПД линейные решения (таблица 3). Интересно отметить, что температура в рабочем режиме интегрированного линейного регулятора отличается от температуры дискретного «линейника». Из-за того, что интегрированный линейный регулятор исполнен в более крупном корпусе D2PAK, он рассеивает мощность на большей площади. Дискретное решение выполнено с использованием корпусов SOT-23 и SOT-223, которые меньше, чем D2PAK. Следовательно, у них больше тепловое сопротивление, что затрудняет отвод рассеиваемой мощности.

Таблица 2. Сравнение по тепловым характеристикам

Тип преобразователя Разница температур, °С Максимальная температура, °С Корпус
Импульсный (понижающий) 11 40,7 3×3 мм VSON
Интегрированный линейный 27 56,2 D2PAK
Дискретный линейный 40 69,1 SOT-23, SOT-223

Сравнение по КПД

Температурная картина напрямую зависит от КПД каждого регулятора. На рисунке 5 изображено сравнение по КПД каждой из трех схем. Как и ожидалось, импульсный регулятор превосходит остальные регуляторы при малой и при максимальной нагрузках.

Рис. 5. КПД в зависимости от тока нагрузки Рис. 5. КПД в зависимости от тока нагрузки

При небольших нагрузках потери переключения и ток собственного потребления становятся более явными. Это объясняет снижение КПД при небольших нагрузках. На малой нагрузке нагляднее будет посмотреть график потерь мощности (рисунок 6). При токе нагрузки 10 мА и напряжении питания 24 В разница КПД между импульсным и линейным решениями составляет 50%. Потери мощности в этой рабочей точке импульсного конвертера составляют 2,8 мВт, а потери линейного регулятора – 345 мВт. На максимальной нагрузке потери «импульсника» составляют 93 мВт, потери линейного регулятора – 2,06 Вт.

Рис. 6. Потери мощности в зависимости от тока нагрузки Рис. 6. Потери мощности в зависимости от тока нагрузки

В таблице 3 приводится сравнение КПД и потерь мощности для всех решений. Следует обратить внимание, что ток собственного потребления дискретного линейного регулятора меньше, чем у интегрированного линейного регулятора. Но интегрированное решение, в свою очередь, сочетает в себе больше различных функций, чем дискретный «линейник».

Таблица 3. Сравнение по потерям мощности и КПД

Тип преобразователя  Максимальная нагрузка Без нагрузки
КПД, %  Мощность потерь, Вт Ток собственного потребления, мА
Импульсный (понижающий) 84,5  0,093 0,5
Интегрированный линейный 20,0  2,06 5,5
Дискретный линейный 20,1  2,02 4

Выходные характеристики

Аналоговые цепи могут быть чувствительны к пульсациям напряжения, а цифровые процессоры – к точному значению напряжения центрального ядра. Для таких чувствительных нагрузок важно контролировать пульсации напряжения, точность выходного напряжения и максимальные отклонения напряжения при переходных процессах. Линейные регуляторы сами по себе имеют малые пульсации и используются для фильтрации шума импульсных регуляторов. Выходные пульсации напряжения линейных регуляторов обоих типов составляют не более 10 мВ. В процентном соотношении этот показатель составляет 0,2%. С другой стороны, пульсации напряжения импульсного регулятора составляют 75 мВ или 1,5% выходного напряжения. Низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсатора на выходе импульсного регулятора позволяет уменьшить пульсации выходного напряжения, даже несмотря на характерный уровень шума на выходе. Сравнивая точность выходного напряжения импульсного регулятора и линейных регуляторов при переходе от режима холостого хода до максимальной нагрузки, получаем наилучшее значение этого параметра у «импульсника». Дальнейшее исследование параметров всех трех решений обнаруживает, что опорное напряжение в цепи обратной связи импульсного регулятора – наиболее стабильное. Дискретный линейный регулятор использует достаточно простой способ регулирования выходного напряжения, поэтому у него худшие параметры в сравнении с остальными решениями. Во многих случаях очень точное напряжение не требуется, так как, к примеру, достаточно часто напряжение 5 В конвертируется в более низкие номиналы с помощью дополнительных регуляторов. Отклик на импульсное изменение нагрузки для всех типов регуляторов изображен на рисунках 7…9.

Рис. 7. Импульсный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 7. Импульсный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 8. Интегрированный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 8. Интегрированный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 9. Дискретный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку Рис. 9. Дискретный линейный регулятор отрабатывает импульсную нагрузку

Хотя импульсный регулятор имеет достаточно высокую точность выходного напряжения, отклонение этого параметра при отработке импульсной нагрузки оказывается хуже, чем у линейных решений. Отклонение выходного напряжения при скачке выходного тока 50…100 мА составляет 250 мВ или 5% от выходного напряжения. При этом для линейных решений отклонение составляет 40 мВ. На выход импульсного регулятоpa можно добавить дополнительную емкость для уменьшения отклонения напряжения. Но это, в свою очередь, повлияет на стоимость и площадь, занимаемую на печатной плате. Стоит обратить внимание, что дискретный линейный регулятор не спроектирован специально для отработки скачков выходного тока, а также не имеет защиты по максимальному току и функции отключения по превышению температуры. В таблице 4 изображены выходные характеристики каждого из рассматриваемых решений.

Таблица 4. Сравнение характеристик выходного напряжения

Тип регулятора Пульсации Vout, мВ Отклонение выходного напряжения при импульсной нагрузке 50…100 мА Ошибка регулирования при импульсной нагрузке 0…100 мА
Импульсный 75 250 1,5
Интегрированный линейный <10 40 0,7
Дискретный линейный <10 40 21,8

Сравнение по стоимости

Большинство внешних компонентов, применяемых в этих схемах – резисторы и конденсаторы миниатюрного размера, стоящие менее 0,01$. Комплексная стоимость спецификации всех решений представлена в таблице 5. Стоимость рассчитана исходя из количества 10 тыс. шт. по ценам, актуальным для США на дату написания данной статьи. Легко заметить, что линейные решения стоят в несколько раз дешевле, чем импульсный регулятор. Это связано с тем, что «импульсник» требует наличия внешнего дросселя, который может стоить 0,10$, да и сама микросхема стоит намного дороже. Но, несмотря на существенную разницу в стоимости, отличные технические характеристики импульсного преобразователя могут оказаться более важными, чем высокая цена. Разница в цене между линейными решениями составляет всего 0,06$ в пользу дискретного решения. Но функции защиты, встроенные в интегрированный линейный регулятор могут оказаться ценнее небольшой экономии.

Таблица 5. Сравнение стоимости комплектующих по спецификации

Тип регулятора Стоимость спецификации при 1 тыс. шт., $
Импульсный 1,80
Интегрированный линейный 0,32
Дискретный линейный 0,26

Заключение

Существует множество доступных разработчикам решений в области управления электропитанием. Наиболее оптимальное решение можно выбрать, только отталкиваясь от конкретной технической задачи. Решения по управлению электропитанием, которые снижают потребление энергии и уменьшают площадь, занимаемую на печатной плате, являются наиболее привлекательными на рынке на текущий момент. Синхронный понижающий импульсный преобразователь позволяет значительно улучшить КПД преобразования и уменьшить размер по сравнению с линейными решениями. Если перед разработчиком стоит задача максимально удешевить изделие – на помощь придет линейный регулятор на дискретных компонентах. Но за это придется заплатить отсутствием защитных функций, достаточно низким КПД и затратами на радиатор для хорошего теплоотвода. В таблице 6 приводится комплексное сравнение всех трех регуляторов, чтобы помочь разработчику выбрать именно то решение, которое наилучшим образом подходит для конкретной технической задачи.

Таблица 6. Характеристики регуляторов 5 В/100 мА со входом 24 В

Тип регулятора Стоимость BOM при 1 тыс. шт., $ Пульсации Vout, мВ КПД при максимальной нагрузке Занимаемое место на плате, дюйм² Сложность решения
Импульсный 1,80 75 84,5 0,14 Высокая
Интегрированный линейный 0,32 <10 20,0 2,25 Низкая
Дискретный линейный 0,26 <10 20,1 2,25 Средняя

Оригинал статьи.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее

Товары
Наименование
TPS54061DRBT (TI)
TPS54061EVM-142 (TI)
TPS54061DRB (TI)
TPS54061QDRBRQ1 (TI)
TPS54061DRBR (TI)
LM317LIDR (TI)
LM317LIPK (TI)
LM317MQDCYRG4 (TI)
LM317AEMP/NOPB (TI)
LM317LM/NOPB (TI)
Рубрики:
Группы товаров: