Некоторое время назад в статье мы обсуждали преимущества и применения интегрированных преобразователей напряжения. Сегодня мы хотим продолжить эту тему и познакомить вас с ещё одним важным вопросом, связанным с системами питания. Преобразователи и линейные стабилизаторы — это схемы, выполняющие схожие задачи, но абсолютно разными способами. В рамках сегодняшнего материала мы подробно рассмотрим различия между ними и объясним, в каких случаях следует выбрать то или иное решение
Преобразователь напряжения — это электронная схема, задача которой — преобразование напряжения с использованием импульсной техники. Он состоит прежде всего из транзистора, выполняющего роль переключателя, индуктивного элемента — обычно дросселя, диода и управляющей схемы. [caption id="attachment_70257" align="aligncenter" width="800"]
Рис. 1.Упрощённая схема понижающего преобразователя напряжения[/caption]
Проходной транзистор работает как контролируемый переключатель — он попеременно находится в состоянии отсечки, а затем насыщения (проводимости). Благодаря этому он практически не рассеивает мощность, что позволяет достичь высокой эффективности. Среднее значение выходного напряжения контролируется с помощью широтно-импульсной модуляции (pulse-width modulation) сигнала на затворе транзистора. За преобразование серии импульсов обратно в постоянный ток отвечают дроссель и конденсатор. Дроссель действует как «маховик» — когда ключевой транзистор проводит, он накапливает энергию в магнитном поле. В момент, когда транзистор не проводит, он становится временным источником энергии. Конденсатор же накапливает электрический заряд, сглаживая колебания напряжения. Вместе они образуют фильтр LC — фильтр нижних частот, который «восстанавливает» постоянный ток из серии импульсов. К наиболее распространённым топологиям импульсных регуляторов относятся понижающий преобразователь (buck) и повышающий (boost). Также существуют конфигурации, объединяющие обе эти функции — так называемый buck-boost, а также регуляторы, меняющие полярность напряжения.
Основными элементами конструкции регулятора являются проходной транзистор и некое эталонное напряжение — обычно с использованием стабилитрона Зенера. Схема управляется с помощью отрицательной обратной связи, благодаря которой поддерживается постоянное выходное напряжение. [caption id="attachment_70263" align="aligncenter" width="800"]
Рис. 2.Упрощённая схема линейного стабилизатора[/caption]
Транзистор регулирует ток, проходящий через него, в зависимости от разницы между заданным и выходным напряжением. Таким образом, схема функционирует как делитель напряжения, который автоматически подстраивает своё сопротивление в зависимости от входного напряжения и нагрузки. Благодаря этому поддерживается постоянное выходное напряжение, а избыточная энергия рассеивается в транзисторе в виде тепла. Основной недостаток таких стабилизаторов — относительно низкий КПД. Говоря точнее, эффективность преобразования напряжения определяется отношением выходного к входному напряжению регулятора. Это значит, что чем больше разница между этими напряжениями, тем ниже эффективность преобразования. Во многих случаях это приводит к большим потерям в виде тепла. К тому же, такой регулятор способен только понижать напряжение — другие конфигурации, возможные у импульсных регуляторов, здесь недоступны. В настоящее время большинство линейных регуляторов выпускается в виде интегральных микросхем. Благодаря этому они приобретают большую гибкость и простоту применения. Некоторые из них используют внешний резистивный делитель напряжения, что позволяет произвольно регулировать выходное напряжение.
Ниже мы хотим представить вам несколько типичных применений, где преимущества импульсных преобразователей особенно важны.
Высокий КПД преобразования напряжения — главная причина, почему преобразователи вытесняют другие решения. Эта особенность особенно важна для мощных систем питания. Чем ниже потери энергии, тем меньше лишнего тепла, которое нужно отводить. Также снижается потребление энергии всей системы. Именно поэтому они сегодня предпочтительнее в сетевых источниках питания, инверторных сварочных аппаратах и зарядных устройствах для электромобилей.
Как уже упоминалось, эффективность линейного регулятора определяется отношением выходного напряжения к входному. Это значит, что чем больше разница между этими напряжениями, тем ниже эффективность преобразования. Другими словами, чем сильнее понижаем напряжение, тем больше энергии теряется в виде тепла. Чтобы лучше объяснить это, рассмотрим следующий пример: в устройстве с питанием 24В нужно получить шину 3,3В для питания низковольтной логики. Если использовать для этого линейный стабилизатор, эффективность преобразования составит: 
Это значит, что подавляющее большинство подаваемой энергии, а именно 86,25%, будет рассеяно в виде тепла. Такие потери приведут к значительному увеличению энергопотребления всей системы. Кроме того, эффективное отведение большого количества избыточного тепла может быть проблемой. Между тем, предлагаемая нами преобразователь PSR1-783R3C способен выполнить вышеописанное преобразование с эффективностью до 90%. Кроме того, устройство поддерживает широкий диапазон входных напряжений, а компактный интегрированный корпус SIP делает его очень простым в применении. Приглашаем познакомиться с нашим ассортиментом преобразователей постоянного и переменного тока известного немецкого бренда PEAK Electronics.
В устройствах с питанием от батарей также ключевым становится энергетический КПД. При проектировании таких устройств обычно стремятся обеспечить максимально долгую работу от аккумулятора. Высокая эффективность регуляции напряжения у импульсных преобразователей является важным преимуществом. Некоторые из них достигают эффективности до 96%, что для линейных стабилизаторов недоступно. Другой аспект — это падение напряжения (dropout), типичное для линейных регуляторов. Обычно оно составляет примерно от 1В до 2В — это значит, входное напряжение должно быть выше выходного по крайней мере на эту величину. В портативных устройствах это серьёзная проблема, поскольку напряжение элементов снижается с ростом нагрузки и разрядом. Например, для алкалиновой батарейки LR6/AA номинальным напряжением 1,5В оно может упасть даже до 0,8В. Следовательно, для получения нужного выходного напряжения регулятора необходимо последовательное соединение нескольких элементов. Одним из вариантов являются регуляторы LDO (Low Dropout) с низким падением напряжения — даже менее 200 мВ. Во многих случаях это не полностью решает проблему. Рассмотрим пример — проектируем схему на 3,3В с питанием от аккумулятора Li-Ion NCM14500-850mAh с номинальным напряжением 3,6В. Для понижения напряжения используем LDO регулятор с падением 120 мВ. График входного и выходного напряжения по мере разрядки аккумулятора будет следующим: 
Как видно из графика, желаемое выходное напряжение не поддерживается всё время — после некоторого времени оно начинает падать ниже 3,3В. Если предположить, что схема не может корректно работать при более низком напряжении, теряется около 25% времени работы от батареи. Как решить эту проблему? Лучше всего использовать преобразователь — точнее, в конфигурации buck-boost. Он позволит поддерживать постоянное выходное напряжение независимо от степени разряда аккумулятора и полностью использовать его ёмкость.
Хотя преобразователи в целом считаются лучшим решением, во многих ситуациях широко применяются линейные регуляторы. Интересно, почему? Ниже рассмотрим случаи, когда обычный стабилизатор может оказаться намного лучше импульсного преобразователя.
Как мы уже объяснили, выходное напряжение преобразователя меняется с каждым циклом — оно растёт и падает. Конденсатор на выходе сглаживает эти изменения, но не может полностью их устранить. Поэтому на выходе преобразователя всегда присутствуют небольшие помехи высокой частоты — их называют пульсациями или шумами. В большинстве случаев они настолько малы, что не влияют на работу получателя питания, но некоторые устройства особенно чувствительны к ним. К таким можно отнести аудиотехнику и точные измерительные приборы. При работе с такими схемами необходимо обеспечить хорошо стабилизированное питание. Ключ к успеху — правильный дизайн преобразователя: для снижения уровня помех высокой частоты применяются байпасные конденсаторы, ферритовые бусины и гасительные цепи (snubbers). Всё это усложняет схему и повышает стоимость — ещё один случай, когда линейный регулятор может быть гораздо лучше. Проблему также могут представлять электромагнитные излучения. Импульсные регуляторы работают на частотах до нескольких десятков МГц и являются значительным источником излучаемых электромагнитных помех (EMI). Избыточное излучение может мешать работе рядом расположенных устройств и создавать проблемы при сертификации по стандарту EMC. Выбрав линейный регулятор, можно избежать подобных сложностей.
Одним из неоспоримых преимуществ линейных регуляторов является их простота применения. Они широко доступны в виде интегральных микросхем, а силовая часть содержит обычно не более трёх компонентов. Реализация не представляет труда даже для начинающих электронщиков. Единственной проблемой может стать эффективное отведение тепла, особенно при больших мощностях. Читайте также: Охлаждение электронных компонентов В случае преобразователей реализация может быть намного сложнее. Проектировщик должен подобрать элементы с точно заданными параметрами. Использование неподходящих компонентов может привести к неправильной работе преобразователя. Также важен правильный дизайн платы — расположение элементов близко друг к другу и правильное их соединение. Поэтому требуется большая инженерная квалификация и опыт. Более высокая сложность схемы ведёт к большим затратам. Важным также может быть занимаемое на плате место — в компактных портативных устройствах каждый квадратный миллиметр площади на счету. Большое число компонентов однозначно усложняет эффективное использование пространства.
Любая схема преобразователя постоянно потребляет небольшой ток — так называемый ток покоя. Он необходим для выполнения функций — мониторинга выходного напряжения, генерации внутренних эталонов, переключения ключевых транзисторов и т.д. Важно, что этот ток потребляется независимо от нагрузки — даже при её отсутствии преобразователь потребляет немного энергии. Это может привести, например, к разряду батареи в устройстве, оставленном надолго в выключенном состоянии. Линейные регуляторы, благодаря иному устройству, способны обеспечить значительно более низкий ток покоя. Это особенно важно в схемах, которые долго находятся в состоянии ожидания — в таких случаях именно линейные регуляторы позволяют снизить энергопотребление. Также стоит отметить, что преобразователь достигает максимальной эффективности только при оптимальной нагрузке — в других условиях её эффективность падает. Может случиться так, что его эффективность окажется ниже, чем у линейного регулятора. Поэтому всегда полезно обращаться к данным из каталогов — эффективность преобразователя легко оценивается по графикам КПД в зависимости от тока нагрузки.
Возвращаясь к вопросу из заголовка статьи — какое решение мне тогда выбрать? Какая схема лучше подойдёт для моего применения или позволит достичь большей эффективности? К сожалению, однозначного ответа нет. Каждый случай нужно рассматривать отдельно с помощью соответствующих расчётов или оценок. В проектировании электроники таких нюансов много, и принять правильные решения требует обширных знаний и опыта. Это одна из причин, почему всё больше компаний поручают эту задачу внешним проектным бюро. Если вы тоже рассматриваете такой вариант, не ищите дальше — опытная инженерная команда компании InterElcom с радостью возьмёт ваш заказ! Мы предлагаем комплексные решения — берём на себя все этапы проекта, от начальных требований до производства. Кроме того, наш ассортимент электронных компонентов один из самых привлекательных на польском рынке. Приглашаем ознакомиться с предложением услуг компании InterElcom и получить бесплатную оценку проекта.
