Стабилизатор тока интегральный: интегральные стабилизаторы тока для светодиодного освещения

Содержание

4.07. Источники тока

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассматривал RC генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний на ОУ. В данной статье я рассмотрю стабилизаторы напряжения, в основе которых лежат операционные усилители. Основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления (несколько десятков тысяч). Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Основная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Большинство современной силовой электроники представлено импульсными источниками питания, которые обладают высоким КПД и небольшими габаритными размерами. Однако линейные стабилизаторы напряжения также находят своё применение, прежде всего в устройствах небольшой мощности, а также в схемах, где не желательны импульсные помехи.

Как известно линейные источники питания разделяются на последовательные и параллельные в зависимости от схемы подсоединения регулирующего элемента относительно выхода. Наибольшее распространение получили последовательные стабилизаторы, так как могут обеспечить КПД и стабилизацию больше чем параллельные, из основных достоинств которых является возможность перегрузки по току и способность выдерживать короткое замыкание.

Кроме схемы подключения регулирующего элемента, стабилизаторы напряжения классифицируются по способу регулирования выходного напряжения: параметрические и компенсационные. Работа параметрических стабилизаторов основана на нелинейных свойствах регулирующих элементах, то есть при значительном изменении тока протекающего через него падение напряжения на регулирующем элементе мало изменяется. Такие стабилизаторы применяются в схемах небольшой мощности до нескольких ватт. Наибольшее распространение получили схемы последовательных стабилизаторов компенсационного типа, структурная схема, которого представлена ниже

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа.

В одной из статей я рассказывал о компенсационных стабилизаторах напряжения, выполненных на транзисторах, поэтому напомню принцип его работы. Схема состоит из чётырёх основных частей: источник образцового напряжения И, элемента сравнения ЭС, усилительного элемента У и регулирующего элемента Р. Элемент сравнения сравнивает выходное напряжение U1 с напряжение вырабатываемым источником образцового напряжения и выдаёт ошибку сравнения на усилительный элемент, где происходит усиление ошибки сравнения и вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Довольно часто в простых схемах происходит объединение элемента сравнения и усилителя (а иногда и регулирующего элемента в слаботочных схемах) в одно устройство. В современных схемах функции элемента сравнения и усилителя выполняют на ОУ.

Схема стабилизатора напряжения на ОУ

Для построения стабилизатора напряжения используется масштабирующий усилитель на ОУ в неивертирующем включении. Схема такого стабилизатора напряжения показана ниже

Схема стабилизатора напряжения на ОУ.

Схема состоит из ОУ DA1, резисторов обратной связи R1 и R2 и источника опорного напряжения UОП. Выходное напряжение будет определяться известной формулой для неинвертирующего усилителя

Таким образом, качество стабилизатора напряжения будет определяться качеством источника опорного напряжения, так как ОУ даже с очень хорошими параметрами и высоким коэффициентом усиления не может обеспечить стабильность выходного напряжения.

Существует несколько видов источников опорного напряжения: стабилитрон, источник опорного напряжения со стабилизатором тока и интегральные стабилизаторы напряжения. Рассмотрим их по отдельности.

Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

В данной статье обсуждается схема источника тока, управляемого напряжением, для которой требуются всего два операционных усилителя и несколько резисторов.

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения

Стабилитрон широко используется практически во всех стабилизаторах напряжения, так как имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет при широком изменении тока нагрузки практически оставаться стабильным выходному напряжению. Схема стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона в качестве источника опорного напряжения показана ниже

Схема, иллюстрирующая использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения.

На данной схеме опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором напряжения R1VD1, что даёт удовлетворительные результаты в большинстве практических случаях. При этом величина опорного напряжения соответствует величине напряжения стабилизации стабилитрона VD1, а разность между входным напряжением стабилизатора и опорным рассеивается на резисторе R1. Номиналы элементов параметрического стабилизатора выбираются из следующих соотношений

где UCT – напряжение стабилизации стабилитрона,

IСТ – номинальный ток стабилизации стабилитрона.

Схема с использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения обеспечивает умеренный уровень стабилизации, составляющий доли процента (обычно 0,1…0,05%), значительно лучшие показатели обеспечиваются, если вместо гасящего резистора R1 применить стабилизатор тока.

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

Рисунок 4 – Схема прецизионного источника тока

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения

Достаточно часто стабилизаторы напряжения используются в схемах, где входящие нестабилизированное напряжение может изменяться в пределах нескольких вольт, а иногда и выше. Данное условие приводит к тому, что в схеме параметрического стабилизатора R1VD1, показанного на рисунке выше, приводит к изменению тока проходящего через стабилитрон, тем самым изменяя его напряжение стабилизации в пределах долей вольта. Для недопущения таких изменений в схему источника опорного напряжения вводят стабилизатор тока. Схема стабилизатора напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения приведена ниже

Стабилизатор напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения.

В данной схеме вместо гасящего резистора параметрического стабилизатора введён стабилизатор тока R1VD1VT1R2, что позволяет свести колебания тока стабилизации стабилитрона VD2 к нескольким процентам, при колебании входящего нестабилизированного напряжения в пределах десятков процентов. В итоге коэффициент стабилизации источника опорного напряжения достигнет нескольких сотен, в то время как стабилизации обычного параметрического стабилизатора напряжения едва достигает нескольких десятков.

Ещё одним применение данной схемы является регулируемый источник опорного напряжения. Для этого достаточно заменить стабилитрон VD2 переменным резистором, что позволяет при постоянном токе, задаваемым стабилизатором тока, изменяя сопротивление переменного резистора в широких пределах регулировать опорное напряжение, тем самым регулирую выходное напряжение стабилизатора тока.

Регулируемый стабилизатор напряжения на ОУ.

Однако данная схема не может обеспечить такой же стабильности, как схемы на стабилитронах описанные выше, поэтому она применяется крайне редко.

Наибольшую стабильность позволяют получить схемы, где в качестве источников опорного напряжения применяются интегральные стабилизаторы напряжения.

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источников опорного напряжения

Интегральные стабилизаторы напряжения, выпускаемые промышленностью в настоящее время, имеет широкую номенклатуру изделий, и характеризуются высокими техническими параметрами. Так, например, широко применяемая микросхема стабилизатора напряжений серии КР142ЕН выпускаются на различные стабилизируемые напряжения от 5 до 30 В, имеют коэффициент нестабильности по напряжения не менее 0,1 %/В, а коэффициент сглаживания пульсаций не менее 30 дБ. Поэтому они наилучшим образом подходят в качестве источников опорного напряжения в мощных линейных стабилизаторах напряжения. Схема использования их в качестве опорных источников напряжения показана ниже

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источника опорного напряжения.

Согласно технической документации микросхемы типа КР142ЕНхх на вход и выход необходимо включить конденсаторы: С1 ≥ 2,2 мкФ, С2 ≥ 1 мкФ.

При использовании интегральных стабилизаторов достаточно просто реализовать регулируемый стабилизатор напряжения, для этого достаточно поставить на выходе источника опорного напряжения переменный резистор, со среднего отвода которого снимать напряжение на операционный усилитель

Регулируемый стабилизатор напряжения с интегральным стабилизатором в качестве опорного напряжения.

Вышеописанные схемы стабилизаторов напряжения на ОУ позволяют получить очень хорошие показатели стабильности выходного напряжения. Однако ОУ не могут обеспечить достаточно большой выходной ток (обычно несколько десятков мА), поэтому выходная мощность ограничена долями ваттами, в зависимости от выходного напряжения.

Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 – Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку AV = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 – Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно Iвых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Интегральные стабилизаторы » Страница 3 » Вот схема!

Категория: Стабилизаторы

В данной статье речь пойдет об особенностях применения интегральных стабилизаторов типа КР142ЕН5, КР142ЕН8 (и импортных аналогов). Эти стабилизаторы идентичны по схемотехнике и содержат устройства защиты от замыкания в цепи нагрузки. Различаются стабилизаторы максимальным выходным током и номинальным выходным напряжением.

Существующее разнообразие по выходному напряжению, в принципе, позволяет выбрать необходимый стабилизатор, но не всегда возможно приобрести именно нужный стабилизатор. Это обстоятельство заставляет искать способы изменения напряжения стабилизации имеющегося интегрального стабилизатора.

Недостаток этой схемы в том. что требуется источник отрицательного относительного общего провода напряжения.

Микросхемы типа КР142ЕН5 или EH8, в зависимости от типа могут отдавать в нагрузку ток до 1,5А. Повысить значение выходного тока можно использованием совместно с микросхемой дополнительного мощного транзистора Принципиальная схема базового варианта стабилизатора с «умощнением» показана на рисунке 5.

При токе нагрузки до 200 mА падение напряжения на резисторе R1 мало и транзистор закрыт, а стабилизатор работает как-бы без него При увеличении тока нагрузки падение напряжения на R1 возрастает и достигает 0.6-0,7 V, что приводит к открыванию транзистора VT1. ограничивающему дальнейший прирост тока через микросхему. Микросхема поддерживает выходное напряжение на заданном уровне как и при типовом включении : при повышении выходного напряжения снижается входной ток, а следовательно и напряжения управления на базе транзистора При уменьшении напряжения, ток, наоборот, увеличивается, что приводит к большему открыванию транзистора.

Применяя такой стабилизатор нужно знать, что минимальная разность входного и выходного напряжений должна быть равна сумме минимального падения напряжения на интегральном стабилизаторе и напряжения эмиттер-база транзистора На рисунке 6 приводится схема стабилизатора напряжения 12V с максимальным током 8А В этой схеме используется защита от перегрузки транзистора Реализована она включением в цепь эмиттер-база транзистора кремниевых диодов VD1 и VD2 (вместо резистора в схеме на рисунке 5).

Пока ток не превосходит некоторого максимального значения сопротивление через диоды относительно велико и напряжение на них достаточно для открывания транзистора. При увеличении тока выше некоторого значения ток через диоды увеличивается. но напряжение на них не растет, поскольку они открыты. Значительная часть тока начинает перекладываться на микросхему, что приводит к увеличению тока через микросхему. Срабатывает схема защиты от перегрузки, имеющаяся в микросхеме и стабилизатор выключается.

Другой способ повышения мощности интегрального стабилизатора состоит в том, что интегральный стабилизатор выполняет роль мощного источника образцового напряжения. а мощный транзисторный каскада. -роль усилителя мощности, включенного по схеме эмиттерного повторителя (рис. 7). Если обратить внимание, схема практически представляет собой классическую схему параметрического стабилизатора на транзисторе и стабилитроне, только роль стабилитрона выполняет интегральный стабилизатор. дающий больший ток и стабильность.

Поделитесь с друзьями ссылкой на схему:

Встроенные регуляторы напряжения | Empower Semiconductor

Что такое встроенный регулятор напряжения (IVR)?

Интегрированный регулятор напряжения (IVR) — это высокопроизводительное устройство управления питанием, предназначенное для обеспечения производительности, эффективности, размера и экономичности энергоемких электронных приложений с большим объемом данных за счет замены традиционной интегральной схемы управления питанием (PMIC). ) решения с одной крошечной ИС.

Необходимость обеспечения, помимо прочих функций, фильтрации входных и выходных сигналов, защиты цепей, конфигурируемости и компенсации контуров обратной связи означает, что традиционные PMIC стабилизаторов напряжения должны сочетаться с дополнительными громоздкими конденсаторами, резисторами и катушками индуктивности. Теперь это не так благодаря полностью интегрированному регулятору напряжения Empower, первому и единственному IVR.

IVR — это качественный скачок по сравнению с традиционными решениями PMIC, поскольку он сочетает в себе импульсный регулятор напряжения со всеми необходимыми схемами управления и фильтрации в одном корпусе и устраняет необходимость в ЛЮБЫХ внешних компонентах.

IVR объединяет ранее разрозненные компоненты в единое компактное устройство

Зачем нужны IVR?

IVR приобретают все большее значение, поскольку инженеры стремятся решить задачу повышения производительности и функциональности системы при одновременном повышении эффективности и удельной мощности. Это особенно актуально для приложений с интенсивным использованием данных, таких как центры обработки данных и системы искусственного интеллекта, которым требуются серверы, коммутаторы, маршрутизаторы, карты адаптеров, хранилища, беспроводная связь и оптические приемопередатчики.

Наряду с преимуществами с точки зрения эксплуатационных расходов и размера системы, эффективность системы поднялась на первое место в повестке дня проектирования, поскольку мир ищет способы удовлетворить растущий глобальный спрос на электроэнергию при одновременном снижении выбросов углерода. .

Предлагая до 50 % экономии энергии системы по сравнению с традиционными конструкциями, IVR имеют уникальную возможность внести значительный вклад в решение агрессивных задач по эффективности на уровне системы, необходимых для достижения этих целей.

IVR обеспечивают до 10 раз уменьшение размера и до 50% экономии энергии по сравнению с традиционными конструкциями

Помимо значительного улучшения характеристик энергопотребления системы (таких как реакция на скачок нагрузки и DVS), IVR обеспечивают инженерам значительную гибкость проектирования за счет значительно упрощая проектирование и реализацию схемы регулирования напряжения.

Дополнительные преимущества обеспечиваются повышенной надежностью приложений благодаря меньшему количеству соединений, уменьшенной чувствительности к электромагнитным помехам, минимальному количеству материалов и значительному сокращению площади, занимаемой печатной платой.

IVR и эффективность №1 — переходная характеристика

Новейшие IVR могут обеспечивать регулировку посредством скачка нагрузки от нуля до 10 А всего за 500 нс . Поскольку производительность системы улучшается, а скорость процессора продолжает расти, многие существующие PMIC слишком медленны, чтобы реагировать на быстро меняющиеся нагрузки и возвращаться к установившемуся напряжению после переходного процесса.

Поскольку мощность пропорциональна квадрату напряжения, чем больше отклонение напряжения и чем больше времени требуется для возврата из состояния избыточного напряжения к регулируемому напряжению, тем больше энергии тратится впустую.

IVR помогают инженерам решить эту проблему благодаря сочетанию высокого уровня интеграции и запатентованных методов управления. Некоторые из новейших устройств могут обеспечить жесткую стабилизацию напряжения за счет сверхбыстрых переходных процессов и предлагают время установления, которое до ста раз короче, чем у традиционных регуляторов, и все это без необходимости использования дополнительных конденсаторов.

IVR и эффективность № 2 – динамическое масштабирование напряжения (DVS)

Еще один важный вклад в эффективность системы связан с тем, как IVR обрабатывает динамическое масштабирование напряжения (DVS). DVS — это метод управления питанием системы, который в режиме реального времени оптимизирует напряжение питания для минимизации потерь на основе подачи минимально возможного напряжения для работы в данный момент времени.

С DVS в 1000 раз быстрее, чем обычные конструкции, новые поколения IVR позволяют быстро и без потерь изменять состояние питания процессора за наносекунды. Практически мгновенная подача напряжения устраняет избыточное напряжение и, таким образом, потери мощности.

Экономия энергии благодаря ExpressV™ DVS по сравнению со стандартным DVS

Результатом является значительное повышение эффективности при управлении ЦП, ГП и любым другим быстрым цифровым кремнием с тактовой частотой. Это связано с тем, что почти все эти компоненты используют состояния мощности (комбинации частоты и напряжения), которые стремятся минимизировать мощность на операцию. ExpressV™ DVS не только устраняет потери энергии при переходах между состояниями, но и позволяет системе избежать капризов, связанных с необходимостью прогнозировать будущие рабочие команды при определении правильного состояния питания.

IVR и эффективность №3 – интеграция

Небольшой размер кристалла и возможности интеграции IVR позволяют очень тесно связать его с цифровой нагрузкой. Размер кристалла IVR достаточно мал, чтобы его можно было установить непосредственно на подложку внутри самой SoC. Кроме того, толщина кристалла может составлять всего 100 мкм, что позволяет устанавливать его на нижней стороне подложки, чтобы соответствовать высоте BGA.

За счет интеграции IVR в кристаллическое решение тесное соединение нагрузки не только устраняет потери I2R, но также устраняет необходимость в больших банках развязывающих конденсаторов. Эта возможность повышает эффективность системы при дальнейшем снижении количества компонентов и общей стоимости системы.

Общая экономия системы впечатляет, если учесть значительное сокращение места на плате при одновременном использовании преимуществ производительности. Эффективность может быть максимальной, а такие функции, как ExpressDVS и невероятная переходная нагрузка, могут обеспечить функции производительности системы, которые раньше были невозможны.

IVR и центр обработки данных – пример

На изображении показана потенциальная энергия, CO 2 и снижение затрат при внедрении IVR в приложения центра обработки данных

Хорошим примером повышения эффективности, которое делают возможными IVR, является их использование в оборудовании центра обработки данных. Внедрение IVR в схемы управления питанием процессора и памяти высокопроизводительных серверов и устройств хранения, например, может помочь снизить энергопотребление центра обработки данных на целых 30%.

Если бы такое энергосбережение было достигнуто во всех центрах обработки данных по всему миру, это означало бы ежегодное энергосбережение в размере 240 ТВтч и сокращение выбросов CO 2 выбросы около 130 миллионов тонн.

Полностью интегрированная технология IVR Empower

Построенные на усовершенствованной геометрической платформе CMOS и с использованием запатентованной резонансной технологии с цифровой настройкой, понижающие IVR Empower EP70XX являются самыми быстрыми и компактными регуляторами переключения в мире. Каждое устройство может работать напрямую от входного источника 1,8 В или в качестве второй ступени топологии двухкаскадного преобразования.

IVR EP70XX доступны с выходами с одинарной, двойной или тройной стабилизацией и объединяют все дискретные компоненты, необходимые для полного источника питания, в одном компактном корпусе BGA размером всего 5 мм x 5 мм. Это делает их в десять раз меньше, чем более традиционные схемы регулирования напряжения, построенные на дискретных полупроводниках и пассивных компонентах.

IVR объединяет полевые транзисторы, схемы управления, пассивные и магнитные элементы в одной ИС

Устройства этого семейства демонстрируют пиковый КПД до 92 % с почти плоскими кривыми КПД при различных нагрузках и могут регулироваться с шагом нагрузки от ноль выходной ток до 10 А всего за 500 нс с колебаниями напряжения менее 15 мВ.

Все члены семейства EP70XX обеспечивают более высокую точность во время полномасштабных и чрезвычайно быстрых переходных процессов, а время установления до 100 раз меньше, чем в обычных конструкциях. Это связано с тем, что традиционные преобразователи должны работать на низких частотах (от 0,3 МГц до 3 МГц) для достижения высокой эффективности, что требует нескольких больших конденсаторов для фильтрации на выходе и входе, если они хотят получить разумную переходную характеристику. Устранение этих больших конденсаторов позволяет снизить выходное напряжение Empower IVR на одну треть или менее, а время восстановления в сто раз быстрее, чем у лучших в своем классе преобразователей постоянного тока в постоянный.

Продукты Empower IVR также поддерживают ExpressV™ DVS, сверхбыстрый и программируемый DVS со скоростью до 12 мВ/нс, что более чем в тысячу раз быстрее, чем при использовании традиционных технологий. В результате эти устройства позволяют изменять состояние питания процессора за наносекунды.

3-фазный автоматический стабилизатор напряжения сети