Деякий час тому в статті ми розглядали переваги та застосування інтегрованих перетворювачів напруги. Сьогодні ми прагнемо продовжити цю тему і ознайомити вас із ще одним важливим питанням, пов’язаним із системами живлення. Перетворювачі та лінійні стабілізатори — це схеми, що виконують схожі завдання, але абсолютно різними способами. У рамках сьогоднішнього тексту ми детально розглянемо різниці між ними, а також пояснимо, у яких випадках слід обирати той чи інший варіант
Перетворювач напруги — це електронна схема, завдання якої полягає в конверсії напруги з використанням імпульсної техніки. Він складається передусім із транзистора, що виконує функцію перемикача, інерційного елемента — зазвичай індуктора, діода, а також керуючої схеми. [caption id="attachment_70257" align="aligncenter" width="800"]
Рис. 1. Спрощена схема знижувального перетворювача напруги[/caption]
Прохідний транзистор працює як керований перемикач — циклічно перебуває у режимі відсічення, а потім насичення (проведення). Завдяки цьому він майже не розсіює потужність, що дозволяє досягати високої ефективності. Середнє значення вихідної напруги контролюється шляхом модуляції ширини імпульсу (pulse-width modulation) сигналу на затворі транзистора. За конвертацію ряду імпульсів назад у постійний струм відповідають індуктор і конденсатор. Індуктор працює як «маховик» — коли транзистор провідний, він накопичує енергію в магнітному полі. У момент, коли транзистор перестає проводити, він стає тимчасовим джерелом енергії. Конденсатор же накопичує електричний заряд, що дозволяє згладити коливання напруги. Разом вони утворюють фільтр LC — низькочастотний фільтр, який "відтворює" постійний струм із серії імпульсів. До найпоширеніших топологій імпульсних регуляторів належать знижувальний (buck) та підвищувальний (boost) перетворювачі. Існують також конфігурації, що поєднують обидві функції — так званий buck-boost, а також регулятори, що інвертують полярність напруги.
Основними елементами будови регулятора є прохідний транзистор та певний вид джерела опорної напруги — здебільшого на основі діода Зенера. Схема керується за допомогою негативного зворотного зв’язку, що забезпечує підтримання стабільної вихідної напруги. [caption id="attachment_70263" align="aligncenter" width="800"]
Рис. 2. Спрощена схема лінійного стабілізатора[/caption]
Транзистор регулює величину струму, що протікає через нього, залежно від різниці між заданою та вихідною напругою. Таким чином, схема працює як дільник напруги, що автоматично адаптує свій опір залежно від вхідної напруги та навантаження на виході. Це дозволяє підтримувати сталу вихідну напругу, тоді як зайва енергія втрачається в транзисторі у вигляді тепла. З цього принципу роботи випливає головний недолік стабілізаторів — відносно низька ефективність. Точніше кажучи, ефективність перетворення напруги визначається відношенням вихідної напруги до вхідної напруги регулятора. Це означає, що чим більша різниця між цими напругами, тим нижча буде ефективність конверсії. У багатьох випадках це призводить до значних втрат енергії у вигляді тепла. Крім того, такий регулятор здатен лише знижувати напругу — інші конфігурації, доступні в імпульсних регуляторах, тут недосяжні. Наразі більшість лінійних регуляторів мають вигляд інтегрованих мікросхем. Це надає їм високої гнучкості та спрощує застосування. Деякі з них використовують також зовнішній резистивний дільник напруги, що дозволяє довільно регулювати вихідну напругу.
Нижче ми хочемо представити кілька типових застосувань, у яких переваги імпульсних перетворювачів стають особливо важливими.
Вища ефективність конверсії напруги є головною причиною, чому перетворювачі замінюють інші рішення. Ця властивість надзвичайно важлива у системах живлення великої потужності. Чим менші втрати енергії, тим менша кількість зайвого тепла, яку потрібно відвести. Також зменшується потреба в енергії усієї системи. Саме тому їх сьогодні віддають перевагу в мережевих блоках живлення, інверторних зварювальних апаратах і зарядних пристроях електромобілів.
Як уже згадувалося раніше, ефективність лінійного регулятора визначається відношенням вихідної напруги до вхідної. Це означає, що чим більша різниця цих напруг, тим нижчою стає ефективність перетворення. Іншими словами, чим більше ми знижуємо напругу, тим більше енергії втрачається у вигляді тепла. Щоб краще пояснити це питання, розглянемо наступний приклад: в пристрої, живленому напругою 24V, ми хочемо отримати шину 3,3V, необхідну для живлення низьковольтної логіки. Якщо використати для цього лінійний стабілізатор, ефективність перетворення становитиме: 
Це означає, що абсолютна більшість поданої енергії, а саме 86,25%, буде розсіянням у вигляді тепла. Такі високі втрати призведуть до суттєвого збільшення споживання енергії всієї системи. Крім того, ефективне відведення великої кількості зайвого тепла може стати проблемою. У той же час запропонований нами перетворювач PSR1-783R3C здатний виконати описану конверсію зі ефективністю до 90%. Крім того, він має широкий діапазон вхідних напруг, а компактний інтегрований корпус SIP робить його надзвичайно простим у застосуванні. Запрошуємо ознайомитись із нашою пропозицією перетворювачів постійного та змінного струму від відомого німецького бренду PEAK Electronics.
У випадку пристроїв із живленням від батарей також ключовим стає енергетична ефективність. При проєктуванні таких пристроїв зазвичай прагнуть досягти максимально довгого часу роботи від батареї. Вища ефективність регулювання напруги імпульсними перетворювачами в цьому випадку є значною перевагою. Деякі з них можуть досягати ефективності до 96%, що для лінійних стабілізаторів недосяжно. Іншим питанням є падіння напруги (dropout), характерне для лінійних регуляторів. Типово воно становить приблизно від 1В до 2В — це означає, що вхідна напруга має бути вищою за цільову вихідну принаймні на цю величину. У пристроях із живленням від батарей це є суттєвою проблемою, оскільки напруга елементів падає зі збільшенням навантаження та під впливом розряджання. Наприклад, для алкалінової батареї LR6/AA з номінальною напругою 1,5В вона може падати навіть до 0,8В. Через це для досягнення цільової вихідної напруги регулятора необхідно з’єднувати багато елементів послідовно. Одним з можливих рішень є застосування LDO-регуляторів (Low Dropout) з низьким падінням напруги — навіть менш ніж 200мВ. Проте у багатьох випадках це не усуває проблему повністю. Розглянемо приклад — ми проєктуємо схему на 3,3В з живленням від Li-Ion акумулятора NCM14500-850mAh з номінальною напругою 3,6В. Для зниження напруги використовуємо LDO-стабілізатор із падінням напруги 120мВ. Залежність вхідної та вихідної напруги стабілізатора в процесі розряджання акумулятора буде такою: 
Як видно з графіка, бажана вихідна напруга не підтримується протягом усього часу роботи — через деякий час вона починає падати нижче за 3,3В. За умови, що наша схема не здатна правильно працювати при нижчій напрузі, ми втрачаємо близько 25% часу роботи батареї. Як же вирішити цю проблему? Значно кращим виходом є використання перетворювача — точніше, у конфігурації buck-boost. Він дозволить підтримувати сталу вихідну напругу незалежно від ступеня розряджання акумулятора і водночас використати його ємність повністю.
Хоча перетворювачі загалом вважаються кращим рішенням, у багатьох випадках досі широко застосовують лінійні регулятори. Цікавить чому? Нижче розглянемо ситуації, в яких звичайний стабілізатор може виявитися значно кращим вибором, ніж імпульсний перетворювач.
Як уже зазначалося, вихідна напруга перетворювача коливається протягом кожного циклу. Хоча конденсатор на виході має на меті згладити ці зміни, на практиці йому не вдається повністю їх усунути. Тому на виході перетворювача завжди присутні невеликі високочастотні перешкоди — вони відомі як пульсації або шуми. У більшості випадків вони настільки малі, що не погіршують роботу живленого пристрою, проте деякі схеми та прилади можуть бути особливо чутливими до них. До таких належать аудіоапаратура, а також високоточна вимірювальна апаратура. Працюючи з такою схемою, треба забезпечити добре стабілізоване живлення. Ключем до успіху є правильне проєктування перетворювача — щоб знизити рівень високочастотних перешкод, використовують прохідні конденсатори, феритові намистинки, а також гасильні кола (snubbers). Однак усе це ускладнює схему і збільшує її вартість — це ще один випадок, коли лінійний регулятор може виявитись набагато кращим рішенням. Також проблемою можуть бути електромагнітні завади. Імпульсні перетворювачі працюють на частотах, що можуть сягати кількох десятків МГц. Через це вони є важливим джерелом випромінюваних електромагнітних завад (EMI). Надмірна емісія може заважати роботі сусідніх систем і створювати проблеми при проходженні сертифікації відповідно до EMC-норм. Вибираючи лінійний регулятор, можна уникнути таких труднощів.
Однією з беззаперечних переваг лінійних регуляторів є простота у застосуванні. Вони широко доступні як інтегровані мікросхеми, а схема живлення звичайно складається з не більше ніж трьох компонентів. Реалізація тому не має спричиняти проблем навіть у мало досвідчених електроніків. Єдиним складним аспектом може бути ефективне відведення тепла, особливо при великих потужностях. Читайте також: Охолодження електронних компонентів У випадку з перетворювачами напруги реалізація може бути значно складнішою. Проєктувальник має подбати про підбір елементів із строго визначеними параметрами. Використання невідповідних компонентів може призвести до неправильної роботи перетворювача. Важливим є також правильне проєктування схеми перетворювача на друкованій платі — розташування елементів у достатньо близькій відстані та належне їх з’єднання. Тому потрібен широкий інженерний досвід і знання. Вища складність схеми означає також вищі витрати. Важливим може бути й займане місце на платі — у компактних портативних пристроях рахунок іде на кожен квадратний міліметр. Більша кількість компонентів безперечно ускладнює ефективне використання простору.
Кожна схема перетворювача безперервно споживає невелику кількість струму — так званий струм спокою. Він необхідний схему для виконання функцій — моніторингу вихідної напруги, генерації внутрішніх опорних напруг, переключення ключових транзисторів тощо. Важливо, що цей струм споживається незалежно від навантаження — навіть при його відсутності перетворювач споживає деяку енергію. Це може спричинити, наприклад, розрядження батареї пристрою, що довго перебуває у стані бездіяльності. Лінійні ж регулятори завдяки іншій конструкції можуть мати значно менший струм спокою. Це особливо важливо для систем, що тривалий час знаходяться у сплячому режимі — у таких випадках саме лінійні регулятори дозволяють досягти меншого енергоспоживання. Варто також зазначити, що перетворювач демонструє найвищу ефективність лише за оптимального навантаження — в інших умовах його ККД падає. Може статися, що його ефективність виявиться меншою за лінійного регулятора. З цієї причини завжди варто звертатися до даних у каталогах — ефективність перетворювача легко визначити за графіками ККД залежно від струму навантаження.
Повертаючись до питання, заданого у заголовку статті — яке рішення мені слід обрати? Яка схема краще підійде для мого застосування або дозволить досягти вищої ефективності? На жаль, однозначної відповіді немає. Кожен випадок слід розглядати окремо за допомогою відповідних розрахунків або оцінок. При проєктуванні електроніки таких нюансів дуже багато, і прийняття правильних рішень потребує широких знань і досвіду. Це одна з причин, чому все більше компаній звертаються за цим до зовнішніх проектних бюро. Якщо ви також розглядаєте такий варіант, вам не потрібно шукати далі — досвідчена інженерна команда компанії InterElcom із задоволенням прийме ваше замовлення! Ми пропонуємо комплексні рішення — беремо на себе весь супровід проєкту, починаючи з початкових завдань і завершуючи виробництвом. Окрім того, наша пропозиція електронних компонентів є однією з найпривабливіших на польському ринку. Запрошуємо ознайомитись із пропозицією послуг компанії InterElcom і скористатись безкоштовною оцінкою проєкту.
