Перейти к содержанию

LDO и линейные стабилизаторы напряжения

Линейный стабилизатор гасит разницу между входным и выходным напряжением на регулирующем транзисторе, а усилитель ошибки держит выход равным опорному напряжению, умноженному на коэффициент делителя. LDO отличается тем, что продолжает работать при разнице всего в десятые доли вольта, — у 7805 нужно около 2 В.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Линейный стабилизатор держит выходное напряжение постоянным, гася разницу между входом и выходом на регулирующем транзисторе. LDO (low dropout, «малое падение») — линейный стабилизатор, которому для работы достаточно разницы в десятые доли вольта. Принцип у них одинаковый, а различаются они минимальным падением, током покоя, подавлением пульсаций и требованиями к выходному конденсатору.

Коротко

Как устроен линейный стабилизатор

Устройство линейного стабилизатораМежду входом и выходом включён регулирующий элемент — транзистор. Делитель R1, R2 с выхода подаёт часть выходного напряжения на вход усилителя ошибки, на другой его вход подано опорное напряжение. Усилитель управляет регулирующим элементом так, чтобы напряжение с делителя равнялось опорному.UвхРегулирующийэлементUвыхUпад = Uвх − Uвых+−УОUопR1R2обратная связь: Uвых · R2 / (R1 + R2) = Uоп

Опорный источник даёт стабильное напряжение Uоп. Делитель R1/R2 подаёт на усилитель ошибки часть выходного напряжения. Усилитель сравнивает их и приоткрывает или призакрывает регулирующий транзистор, пока напряжение с делителя не сравняется с опорным. Отсюда выходное напряжение регулируемого стабилизатора:

Uвых=Uоп(1+R1R2)U_\text{вых} = U_\text{оп} \left(1 + \frac{R_1}{R_2}\right)

У стабилизаторов с фиксированным выходом (7805, LD1117#33) делитель стоит внутри. Ток, который потребляет сам стабилизатор, — ток покоя — течёт со входа на общий провод мимо нагрузки.

КПД линейного стабилизатора не может быть выше отношения Uвых/Uвх: ток нагрузки целиком проходит через регулирующий транзистор, и разница напряжений превращается в тепло. 3,3 В от 5 В — не больше 66 %, от 12 В — не больше 27,5 %.

Падение напряжения

Падение (dropout) — наименьшая разница между входом и выходом, при которой стабилизатор ещё стабилизирует. ST для LDL1117 определяет её так: разница, при которой выход опускается на 100 мВ ниже номинального (DS12022, табл. 4, примечание 2). Ниже этой разницы выход повторяет вход за вычетом падения. Падение растёт с током, поэтому смотрят значение при своём токе:

СтабилизаторПадениеУсловия
L7805A2 В тип.1 А, 25 °C
LD1117#331,0 В тип., 1,1 В макс.100 мА
LD1117#331,05 В тип., 1,15 В макс.500 мА
LD1117#331,10 В тип., 1,2 В макс.800 мА
LDL1117350 мВ тип., 600 мВ макс.1,2 А, −40…+125 °C
STLQ015112 мВ тип., 300 мВ макс.150 мА (300 мВ — во всём диапазоне температур)

LD1117 часто называют LDO, но его падение больше 1 В: для 3,3 В на входе нужно хотя бы 4,5 В. LDL1117 и STLQ015 получают 3,3 В при входе от 3,9 и 3,6 В соответственно (по максимальному падению).

Ток покоя

Ток покоя расходуется, даже когда нагрузка не потребляет ничего, — это главное для питания от батареи. Microchip в AN765 объясняет разницу технологий: у биполярного стабилизатора ток базы регулирующего транзистора составляет 1–2 % тока нагрузки, у КМОП-стабилизаторов Microchip — около 60 мкА независимо от нагрузки.

СтабилизаторТок покояИсточник
L7805A4,3 мА тип., 6 мА макс.DS0422, табл. 3
LD1117#335 мА тип., 10 мА макс.DocID2572, табл. 6
LDL1117250 мкА тип., 500 мкА макс. (0…1,2 А)DS12022, табл. 4
STLQ0151,0 мкА тип., 1,7 мкА макс. без нагрузкиDS6765, табл. 4

От аккумулятора ёмкостью 2000 мА·ч один только ток покоя LD1117 (5 мА) расходует весь заряд за 400 часов — меньше чем за 17 суток; ток покоя STLQ015 на этом фоне практически не заметен.

Подавление пульсаций и шум

SVR (supply voltage rejection, или PSRR) показывает, во сколько раз стабилизатор ослабляет пульсации входного напряжения: 60 дБ — в 1000 раз, 40 дБ — в 100 раз. Подавление сильно падает с частотой:

Стабилизатор120 Гц1 кГц10 кГц100 кГц
L7805A68 дБ тип.———
LD1117#3360 дБ мин., 75 дБ тип.———
LDL111787 дБ80 дБ—65 дБ
STLQ015—40 дБ30 дБ15 дБ

Поэтому LDO хорошо сглаживает пульсации сетевого выпрямителя (100–120 Гц), но слабее — пульсации импульсного преобразователя на сотнях килогерц: STLQ015 на 100 кГц ослабляет их всего примерно в 5,6 раза. Если LDO ставят после DC-DC для «чистого» питания, смотрят SVR именно на частоте преобразователя.

Шум выходного напряжения в даташитах указан в своей полосе частот, и сравнивать можно только при одинаковой полосе: у LDL1117 — 60 мкВ скв. в полосе 10 Гц — 100 кГц при 100 мА, у LD1117 — 100 мкВ в полосе 10 Гц — 10 кГц.

Конденсаторы и устойчивость

Стабилизатор с обратной связью — это усилитель, и выходной конденсатор входит в его цепь коррекции. Microchip в AN765: конденсатор на выходе обязателен для устойчивости, его ёмкость и ESR должны укладываться в диапазон из даташита; большая ёмкость (4,7–10 мкФ) улучшает реакцию на скачки нагрузки и подавление пульсаций. ESR конденсаторов разных типов растёт в порядке: керамика, OS-CON, плёнка, алюминиевые электролиты и танталовые; у керамики ESR бывает слишком мала, и для некоторых стабилизаторов последовательно с ней ставят резистор 1 Ом.

Современные LDO рассчитаны на керамику. LDL1117 требует на входе не меньше 1 мкФ, а на выходе ST рекомендует керамику X5R или X7R 4,7 мкФ: эти диэлектрики сохраняют ёмкость и ESR во всём диапазоне температур (DS12022, разд. 6.2). Характеристики LD1117 сняты с выходным конденсатором 10 мкФ. Перед заменой конденсатора одного типа на другой проверьте область устойчивости в даташите своего стабилизатора.

Мощность и нагрев

Рассеиваемая мощность складывается из тока нагрузки, проходящего через регулирующий транзистор, и тока покоя (AN765):

P=(Uвх−Uвых)⋅Iн+Uвх⋅IпокояP = (U_\text{вх} - U_\text{вых}) \cdot I_\text{н} + U_\text{вх} \cdot I_\text{покоя}

Для худшего случая берут максимальные входное напряжение и ток нагрузки и минимальное выходное напряжение. Температура кристалла — Tj = Ta + P · RθJA.

Пример: 3,3 В, 500 мА от 5 В на LD1117#33 в SOT-223. P = 1,7 · 0,5 + 5 · 0,005 = 0,875 Вт. Тепловое сопротивление кристалл — воздух в SOT-223 — 110 °C/Вт (DocID2572, табл. 2): кристалл нагреется на 96 °C, при 25 °C в корпусе прибора — до 121 °C, на пределе рабочего диапазона 125 °C. Нужна большая медная площадка, корпус TO-220 (50 °C/Вт) или меньший ток. От 12 В та же нагрузка даёт около 4,4 Вт — это задача для импульсного преобразователя. Нужный радиатор считает калькулятор.

LDL1117 защищён от перегрева и короткого замыкания: ток ограничивается на уровне не меньше 1,5 А (типично 2 А), а при температуре кристалла около 175 °C стабилизатор выключается и включается снова после остывания до 150 °C (DS12022, разд. 6.1). Защита спасает микросхему, но не питание схемы — при перегреве выход пропадает.

Типичные ошибки

  • Недостаточная разница напряжений. LD1117#33 от 4 В уже не стабилизирует: при 500 мА ему нужно до 1,15 В сверх выхода.
  • Нет конденсаторов или не того типа. Без выходного конденсатора или с ESR вне допустимой области стабилизатор возбуждается.
  • Нагрев не посчитан. Мощность (Uвх − Uвых) · I в малом корпусе быстро упирается в предел температуры кристалла.
  • Ток покоя при питании от батареи. 5 мА стабилизатора разряжают аккумулятор быстрее, чем спящий микроконтроллер.
  • Минимальная нагрузка. L7805 гарантирует стабилизацию при токе нагрузки от 5 мА (DS0422, примечание к табл. 3).

Частые вопросы

Чем LDO отличается от 7805?

Минимальной разницей между входом и выходом. L7805 гарантирует стабилизацию, когда вход выше выхода примерно на 2 В (падение 2 В типично при 1 А), а LDL1117 — при разнице до 0,6 В при токе 1,2 А. Поэтому 3,3 В от 5 В или от литиевого аккумулятора получают на LDO, а 7805 для этого не годится. Принцип работы у них одинаковый — регулирующий транзистор, опорное напряжение и усилитель ошибки.

Что такое падение напряжения (dropout) LDO?

Наименьшая разница между входом и выходом, при которой стабилизатор ещё держит выход. ST для LDL1117 определяет её как разницу, при которой выход опускается на 100 мВ ниже номинала. Падение растёт с током: у LD1117#33 — до 1,1 В при 100 мА и до 1,2 В при 800 мА. Ниже этой разницы выход повторяет вход за вычетом падения.

Почему стабилизатор сильно греется?

Вся разница напряжений умножается на ток нагрузки и превращается в тепло: P = (Uвх − Uвых)·I + Uвх·Iпокоя. 3,3 В и 500 мА от 5 В — 0,85 Вт; в корпусе SOT-223 с тепловым сопротивлением 110 °C/Вт кристалл нагреется почти на 100 °C. От 12 В при том же токе — около 4,4 Вт, что для линейного стабилизатора без большого радиатора уже невозможно. В таких случаях ставят импульсный преобразователь.

Можно ли поставить керамический конденсатор на выход LDO?

Зависит от стабилизатора: его устойчивость определяется выходным конденсатором и его ESR. LDL1117 рассчитан на керамику X5R или X7R, 4,7 мкФ. У некоторых стабилизаторов ESR керамики слишком мала — Microchip в AN765 упоминает последовательный резистор 1 Ом для таких случаев. Ёмкость и допустимый диапазон ESR берут из даташита конкретной микросхемы.

Источники

  1. STMicroelectronics. L78: Positive voltage regulator ICs (DS0422 Rev 38) — табл. 1 (предельные режимы), табл. 2 (тепловые сопротивления), табл. 3 (характеристики L7805A: ток покоя, SVR, падение, минимальный ток нагрузки)
  2. STMicroelectronics. LD1117: Adjustable and fixed low drop positive voltage regulator (DocID2572 Rev 38) — табл. 1, 2 (предельные режимы, тепловые сопротивления), табл. 6 (LD1117#33: точность, ток покоя, SVR, падение при 100, 500 и 800 мА, шум)
  3. STMicroelectronics. LDL1117: 1.2 A low quiescent current LDO with reverse current protection (DS12022 Rev 7) — табл. 3 (тепловые сопротивления), табл. 4 (точность, падение и его определение, шум, SVR на 120 Гц, 1 и 100 кГц, ток покоя, ограничение тока), разд. 6 (защита, выбор конденсаторов)
  4. STMicroelectronics. STLQ015: 150 mA, ultra low quiescent current linear regulator (DS6765 Rev 7) — табл. 4: диапазон входного напряжения, падение, ток покоя, SVR, шум
  5. Microchip. AN765: Using Microchip's Micropower LDOs (DS00765A) — ток базы биполярных стабилизаторов, конденсаторы и их ESR, рассеиваемая мощность и худший случай

Нашли ошибку?

Смотрите также