Stabilizatory LDO - zakłócenia, kompromisy projektowe, aplikacje i trendy
| TechnikaW artykule omówiono kilka parametrów, które nie są oczywistym kryterium przy doborze stabilizatorów LDO. Porównano także wersje impulsowe i LDO pod kątem zakłóceń, omówiono trendy w branży i podsumowano zastosowania, które wymagają użycia zaawansowanych typów stabilizatorów.
Większość elektroniki korzysta ze źródła zasilania o napięciu wyższym niż napięcie robocze układu elektronicznego. Na przykład zasilacz komputera jest podłączony do sieci 230 VAC, a na wyjściu dostarcza 12 VDC. Dalej to napięcie jest konwertowane "w dół" do poziomów wymaganych przez procesor, pamięć i interfejsy, które pracują przy zasilaniu ok. 1 VDC. W takim przykładzie istnieje wiele różnych wewnętrznych szyn napięciowych, które rozprowadzają zasilanie, a potencjał na nich mieści się w zakresie 1–12 V. Stabilizatory o małym spadku napięcia (LDO - low dropout regulators) są szeroko stosowane w wielu różnych aplikacjach do generowania niższego napięcia wyjściowego z większego, które jest dostarczane na ich wejściu. Chociaż stabilizator LDO jest postrzegany jako bardzo prosty komponent, projektanci nie zawsze dobrze rozumieją szczegóły, które są istotne przy wyborze, inne niż wartości znamionowe napięcia i prądu. Są to na przykład: poziom szumów w napięciu wyjściowym oraz obecność zakłóceń szpilkowych związanych z małą dynamiką. Tymczasem wiele aplikacji wymaga niskiego poziomu tych wielkości dla zachowania precyzji działania.
Szumy i tętnienia
Stabilizator LDO rzadko jest używany, aby bezpośrednio obniżyć zasilanie z wejścia do poziomu docelowego dla innych obwodów – w większości przypadków straty mocy byłyby zbyt duże. Zamiast tego projektant zwykle używa konwertera impulsowego AC-DC lub DC-DC zapewniającego wstępne (wysokosprawne) obniżenie napięcia, a LDO jest instalowany w dalszej kolejności. Niemniej konwerter impulsowy jest źródłem szumów i tętnień w napięciu wyjściowym oraz emituje zaburzenia EM, które indukują w przewodach i ścieżkach PCB dodatkowe zakłócenia. Tętnienia są związane ze specyfiką konwersji impulsowej lub pochodzą od niedostatecznie odfiltrowanego napięcia sieci. Konwerter impulsowy jest też źródłem przerzutów napięcia i oscylacji, które pojawiają się przy gwałtownych zmianach prądu obciążenia. Gdy jest umieszczony z dala od docelowego układu, długie szyny zasilające stają się podatne na zakłócenia od innych urządzeń i elementów, co jeszcze bardziej zwiększa poziom zakłóceń w napięciu wyjściowym, tj. szumów, tętnień, przerzutów i oscylacji.
Stąd, mimo że zasilacz impulsowy mógłby bezpośrednio być dołączony do obciążenia, często dodaje się jeszcze za nim LDO, aby zapewnić lepszą stabilizację, by stłumić tętnienia, poprawić odpowiedź dynamiczną itp. Stabilizator LDO jest wówczas zasilany na wejściu zaszumionym i tętniącym napięciem, co jest problemem i dodatkowo może generować własny szum. W skrajnie niekorzystnym przypadku te wszystkie oscylacje i szumy mogą trafić do obciążenia, jeśli oczywiście nie zostaną stłumione (rys. 1). Ponieważ trudno jest zasymulować rzeczywiste warunki pracy i nie wiadomo, które składowe widma będą zakłócać czułe obwody, w praktyce to, co dostaniemy w rzeczywistym układzie, jest bardzo niepewne. Obciążeniem może być wzmacniacz audio, układ RF, generator sygnału zegarowego, precyzyjny czujnik analogowy i tej różnorodności nie da się opisać jedną wspólną formułą rekomendacji projektowej.
Projektanci przyjmują różne sposoby obniżania poziomu szumów w zasilaczach. Dodają koraliki ferrytowe lub filtry dolnoprzepustowe przed i za stabilizatorami, aby odfiltrować składowe w.cz. To oznacza koszty ekstra oraz problemy, gdy taki filtr jest potrzebny po wykonaniu serii próbnej. Można też sięgnąć po konwertery impulsowe serii Silent Switcher firmy Analog Devices. Ta rodzina produktów została zaprojektowana właśnie pod kątem minimalizacji opisywanych zjawisk i obecnie w sprzedaży jest już ich trzecia generacja. Pierwsza wykorzystuje dwie pętle, którymi przepływa energia o przeciwnie ustawionym kierunku po to, aby pola magnetyczne się znosiły. Druga generacja ma zintegrowane kondensatory blokujące i tym samym działanie regulatora jest niezależne od projektu PCB. Trzecia zapewnia ultramały poziom szumów przy niskich częstotliwościach i jednocześnie ultraszybką reakcję na stany przejściowe. Układy te pracują z napięciem wejściowym do 65 V i prądem wyjściowym do 30 A i są oferowane w topologiach buck, boost lub buck-boost.
Innym sposobem jest użycie niskoszumowych LDO (rys. 2). Wersje niskoszumne takich stabilizatorów zawierają precyzyjne źródło prądu i wtórnik napięciowy. Charakteryzują je parametry takie jak PSRR, całkowity poziom szumów wyjściowych i gęstość widmowa szumów.
PSRR określa fluktuacje napięcia wyjściowego spowodowane zmiennym napięciem wejściowym (rys. 3). Jest wyrażany jako logarytm dla określonej częstotliwości i zmienia się wraz z obciążeniem oraz napięciami wejściowym i wyjściowym. Dobry LDO ma duży PSRR, a dla w.cz. można poprawić ten parametr, dodając filtry dolnoprzepustowe za i przed stabilizatorem, stąd katalogowa wartość PSRR przy niższej częstotliwości jest ważniejsza przy wyborze. Oczywiście każde 20 dB różnicy oznacza 100 razy lepsze lub gorsze tłumienie tętnień.
Następnym ważnym parametrem jest gęstość szumu w funkcji częstotliwości, jak pokazano na rysunku 4. Dla urządzeń radiowych istnieje konieczność spełnienia wielu wymagań norm, dlatego poziom szumów i zakłóceń musi być pod kontrolą, aby produkt przeszedł badania. To samo dotyczy precyzyjnych czujników, w których szum przeszkadza w osiągnięciu pełnej rozdzielczości. Ostatnim czynnikiem jest całkowity szum wyjściowy, który jest wartością skuteczną widmowej gęstości szumu scałkowanej w danym zakresie częstotliwości. W przypadku przetworników ADC lub DAC całkowity szum LDO wpływa istotnie na dokładność konwersji. Rysunek 5 przedstawia ten parametr dla LT3045, który notabene mniej szumi niż ogniwo litowo-jonowe.
Kompromisy
W praktycznie każdym przypadku, gdzie w aplikacji jest procesor i kilka obwodów towarzyszących, wymagany jest skomplikowany zasilacz zawierający kilka szyn zasilających. Projektanci mogą wybierać do tego celu układy typu PMIC (także wielowyjściowe), stabilizatory jedno- lub wielowyjściowe zwykłe lub w wersji LDO. Jeśli wymagany jest niski poziom szumów na niektórych lub na wszystkich szynach, decyzja, co wybrać i w jakiej kolejności ustawić, staje się niejasna.
Teoria mówi, że konwertery impulsowe mają większą sprawność niż stabilizatory LDO. Stabilizatory liniowe są łatwiejsze do zaprojektowania od wersji przełączających. W rzeczywistości jest to trochę bardziej skomplikowane. Weźmy na przykład układ DAC AD9162, który jest szeroko stosowany w systemach telekomunikacyjnych i aparaturze pomiarowej. Wymaga on zapewnienia w sumie aż 10 szyn zasilających, podzielonych w proporcji 4:2:4, jako zasilacze analogowe vs. cyfrowe vs. SERDES. Chociaż kilka z tych szyn można połączyć, potrzebujemy niestety co najmniej sześciu źródeł. Warto zauważyć, że analogowe 1,2 V jest najbardziej wrażliwe na zakłócenia, a następnie 2,5 V i –1,2 V.
W tym przypadku możliwe jest użycie wielu konwerterów silent switcher, takich jak LT8622S (18 V/2 A) lub LTC3307B (5 V/3 A). Najprawdopodobniej spełnią one wymagania dotyczące niskiego poziomu tętnień i szumów bez konieczności sięgania po dodatkowe filtry. Jednak faktem jest, że rozmiar i koszt realizacji takiego rozwiązania będzie znaczący, jeśli z ich pomocą zbuduje się wszystkie szyny. Alternatywnym podejściem, które łączy w sobie wszystkie zalety, takie jak wydajność, niski koszt, mały rozmiar rozwiązania i niski poziom szumów, jest użycie PMIC-a z poczwórnym wyjściem jak LTM4644, LTC3370, ADP5054 (dla magistrali 12 V) i konwertera odwracającego (np. LT8330/ADP5073). Następnie do każdej szyny można dodać niskoszumne LDO (z wyjątkiem 1,2 V dla VD) – rysunku 6. Jeśli potrzebne jest wyższe napięcie lub prąd znamionowy, ADI oferuje również PMIC-e czterowyjściowe silent switchery, takie jak LT8692S, LT8686S, LT8685S i LT7200S. Projektant może również pozostawi niskoszumne LDO na liniach 3,3 VI/O i –1,2 VA oraz zastąpi PMIC-a i LDO czterema jednokanałowymi silent switcherami.
W tabeli 1 zebrano propozycje układowe wybrane pod omawianym kątem. Wynika z niej, że ADI zaleca użycie niskoszumowych LDO w każdej sytuacji, gdy napięcie wejściowe może być bardzo zaszumione, w sytuacji, kiedy prąd obciążenia jest mały lub gdy pożądane jest uzyskanie jak najniższych tętnień i szumów na wyjściu.
Dla prądów obciążenia ponad 5 A projektanci wybierają zwykle niskoszumny PMIC lub konwerter impulsowy, mimo że stabilizatory LDO mogą być łączone równolegle. Dla zakresu 2 do 5 A można wybierać między LDO, takimi jak ADP7158/ ADP7159, LT3073, MAX38907 lub różnymi wariantami silent switcherów.
Aplikacje
ADI ma bardzo szeroką ofertę niskoszumnych stabilizatorów i konwerterów, które po przejęciu firm Linear Technologies i Maxim Integrated jest jeszcze bardziej kompleksowa niż kilka lat temu. Zakres napięć wejściowych zawiera się od –20 V do +20 V, a prądów wyjściowych od 100 mA do 5 A. Są one używane w aparatach cyfrowych do zasilania czujników obrazu i przetworników, do czujników termowizyjnych w kamerach, a nawet do radarów i obwodów RF systemów ADAS w motoryzacji. W medycynie układy te są częścią systemów obrazowania, pojawiają się w high-end audio, a także w rozwiązaniach aparatury przemysłowej, jak np. przepływomierze.
Ogólnie rzecz biorąc, zasilacz o niskim poziomie szumów ma kluczowe znaczenie dla większości wrażliwych aplikacji, a w wielu innych jest elementem zapewniającym dodatkowy margines bezpieczeństwa związany z jakością konwersji/ czułości/rozdzielczości. Warto o tym pamiętać, gdyż praktyka pokazuje, że w wielu przypadkach za problemy jakościowe i wydajnościowe w zaawansowanej elektronice niestety odpowiada kiepski system zasilania.
Zhihong Yu, product marketing director, ADI
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
