Vše, co potřebujete vědět o stabilizátorech. Rušení, kompromisy, aplikace i trendy

V článku se zaměříme na několik důležitých parametrů, které nemusí být při výběru lineárních stabilizátorů LDO zase tak zřejmé. Z pohledu speciálních požadavků na nízké rušení zde LDO rovněž srovnáme se spínanými regulátory. Chybět nesmí ani trendy a vše konečně završíme představením aplikací, které se bez špičkových stabilizátorů neobejdou.

Pár slov úvodem

Naše elektronika má ve většině případů k dispozici zdroj napájení o vyšším napětí, než ke své činnosti obvykle potřebuje. Adaptér pro počítače je např. zapojen do síťové zásuvky s napětím 110 V_AC či 230 V_AC a odebírá méně než jeden ampér. Když pak různé polovodičové prvky provedou řadu snižujících konverzí napětí, může procesor v počítači nakonec pracovat i s méně než 1 V_DC, ovšem špičkově zde potečou již velké proudy. V takových případech každopádně počítáme s mnoha různými interními úrovněmi, které zasahují od méně než 1 V až do 12 V.

S lineárními stabilizátory, běžně označovanými jako LDO (low dropout regulator), se často potkáváme v celé řadě elektronických aplikací, kde také řídí a regulují nižší výstupní napětí odvozené ze vstupu o vyšší úrovni. Se stabilizátory, které obecně považujeme za velmi jednoduché obvody, se sice mnohdy setkáme již na začátku jakékoli učebnice věnované zdrojům napájení, ovšem vývojáři nemusí ani tak dostatečně rozumět některým technickým vlastnostem, které jsou při výběru LDO klíčové. Napětí a proud zkrátka nestačí. V textu se proto dále zaměříme právě na nízkošumové požadavky spojené se stabilizátory, ukážeme si některá řešení s malým rušením a zmíníme též i klíčové aplikace, které se bez čistého napájení neobejdou.

Šum – jeho původ a jak se s ním vypořádat

Lineární stabilizátor LDO se mezi vstupní napájení a další obvody jen zřídka zapojí přímo – výkonová ztráta totiž může být ve většině případů až příliš vysoká. Vývojáři místo toho zpravidla sáhnou po spínaném regulátoru, buď v provedení AC/DC, či DC/DC. Když pak zdroj, jako je třeba baterie nebo i síťový rozvod, takový regulátor napájí, můžeme se potýkat s jejich vlastním rušením, příp. je dále získáváme i z vnějšku, kde také bude generováno vyzařováním či v souvislosti s dalšími vlivy na kabelech nebo deskách plošných spojů. A aby to nebylo zase tak jednoduché, nemáme nikdy v regulátoru ideální spínač a každé spínání dále vytváří špičky nebo rušení, které se nakonec stávají interním šumem. Je také možné, že spínaný regulátor nebude přímo v místě zátěže a cestou se naváže další externí rušení.

Za účelem snižování výstupu regulátoru se proto docela často přidává lineární stabilizátor, který již spojíme se zátěží. LDO zde totiž může zajistit lepší regulaci a potlačit i zvlnění výstupu, příp. zde budeme mít i více zátěží, které si žádají odlišná napětí. Lineární stabilizátor pak obdrží veškeré rušení, které se dostává na jeho vstup, zatímco může sám generovat rušení, které je mu vlastní. Pokud ale vzniklou situaci neošetříme, dostane se nyní veškerý šum až k zátěži (viz obr. 1). Je to ale obtížné simulovat, a navíc ani nemůžeme předpovědět kmitočtové spektrum společně s amplitudou šumu, takže může docházet k interferencím na vysoce citlivých obvodech zátěže (to je ostatně i důvod, proč dokážou milovníci kvalitní reprodukce poznat rozdíl v kvalitě zvuku při výměně napájecích zdrojů). Mezi další citlivé obvody coby zátěže typicky patří vysokofrekvenční zesilovače, integrované obvody pro taktování a časování, SERDES, přesné analogové a obrazové snímače nebo zapojení, která lze nalézt v medicínských zařízeních, testovacích přístrojích, telekomunikacích, automobilovém průmyslu či datových centrech.

Vývojáři mají na snižování rušení u svých zdrojů napájení různé „páky“. Pomoci by např. mohlo přidání feritových prvků či filtrů typu dolní propusti před a také za regulátory, takže se potlačí rušení o vysokých kmitočtech. Řešení ale může být velké a nákladné. Navíc je opravdu nepříjemné, když vývojář zjistí, že takový filtr potřebuje až poté, kdy má hotový výchozí návrh prototypu.

Skvělý způsob, jak navrhnout řešení s nízkým šumem, spočívá v nasazení spínaných regulátorů Silent Switcher^® firmy Analog Devices. Zmíněná rodina produktů staví na technologiích pro potlačení rušení, aniž bude nutné činit kompromisy v otázce rozměrů či efektivity nebo používat zbytečně mnoho součástek. Skupina chráněných návrhů se nyní vyvinula již do své třetí generace.

První generace produktů Silent Switcher 1 využívá při spínání za účelem potlačení magnetických polí dvojice smyček opačné polarity. Druhá generace zase integruje precizní napájecí kapacity a odstraňuje citlivost, pokud jde o layout desky plošného spoje. Třetí generace konečně počítá s vlastnostmi produktů Silent Switcher 1 a nabízí mimořádně nízké rušení na nízkých frekvencích společně s ultrarychlou přechodovou odezvou. Regulátory Silent Switcher podporují vstupní napětí, která mohou dosahovat i 65 V, a také zatěžovací proudy až 30 A. K dispozici jsou topologie buck, boost či buck-boost. Více informací naleznete přímo na jejich stránkách [1].

Další oblíbený přístup zase vede přes LDO s nízkým šumem. Typický blokový diagram vidíme na obr. 2. Nízkošumové lineární stabilizátory jsou navržené jako precizní proudová reference následovaná špičkovým napěťovým bufferem. Příznačné pro ně budou zejména následující tři klíčové faktory:

- činitel PSRR,

- spektrální hustota šumu a

- celkový jednotný výstupní šum.

PSRR zde reprezentuje kolísání u výstupního napětí způsobené vstupním napětím (obr. 3). Vyjádřeno bude v logaritmickém měřítku pro konkrétní frekvenci a mění se společně se zátěží a vstupním/výstupním napětím. Vzhledem k tomu, že si v zásadě nepřejeme zrcadlit na výstupu vstupní rušení, bude nezbytné používat LDO s vysokým PSRR. To lze přitom na vysokých kmitočtech zlepšit vložením malých filtrů typu dolní propusti před a také za stabilizátorem, takže při výběru integrovaného obvodu bude důležitější PSRR právě na nižších frekvencích. Během volby součástek mějte na paměti, že každých 20 dB rozdílu zde z pohledu potlačení zvlnění představuje stonásobně lepší nebo i horší výsledky.

Další důležitý parametr bude na frekvenční ose dle obr. 4 tvořen hustotou šumu. V oblasti komunikací existují aplikace podléhající regulaci v kmitočtovém spektru. Pokud tedy máme při certifikaci projít testy, je zapotřebí mít rušení pod kontrolou. Potkáváme se rovněž s čidly, kdy okolní signál na určité nízké frekvenci snímáme a dále zpracujeme. Vývojáři by proto měli zkontrolovat průběh spektrální hustoty šumu v kmitočtové oblasti, ve které se také pohybují.

Poslední důležitý faktor je celkový (jednotný) výstupní šum, který je „rms“ hodnotou spektrální hustoty šumu s integrací v konečném frekvenčním rozsahu. U obvodů pro analogově-číslicový nebo též číslicově-analogový převod bude veškeré rušení LDO, od stejnosměrné oblasti až po šířku pásma systému, integrováno společně a ovlivňuje tak výslednou přesnost. Celkový výstupní šum je tudíž pro takové aplikace důležitý. Na obr. 5 vidíme integrovaný šum obvodu LT3045, který bude „čistější“ než Li-Ion baterie.

K otázce kompromisů

Prakticky u všech aplikací, které společně s dalšími obvody vyžadují přinejmenším jeden pokročilý procesor, bude zapotřebí komplikovaný zdroj napájení zahrnující větší počet výstupních úrovní. Vývojáři si pak mohou vybrat z různých řešení, jako jsou např. integrované PMIC (vícenásobný výstup, jediný čip), větší počet regulátorů s jediným výstupem nebo i více stabilizátorů LDO. Pokud je ale u některé, příp. i všech výstupních hladin vyžadováno nízké rušení, nemusí být jasné, co přesně zvolit.

V učebnicích se rychle dočtete, že spínané regulátory jsou obecně účinnější než lineární stabilizátory a obvody s LDO je zase jednodušší navrhnout. V reálném světě to ale bude maličko složitější. Vezměme si kupříkladu AD9162 od ADI – integrovaný obvod, který se často používá v telekomunikacích nebo i přístrojové technice. Vyžaduje celkem deset napájecích úrovní rozdělených v poměru 4 : 2 : 4 pro analogovou část, číslicovou část a SERDES. Některé z nich lze sice kombinovat, ale i tak bude stále zapotřebí přinejmenším šesti zdrojů. Stojí za povšimnutí, že 1,2 V pro analog patří u této součástky k napájení, které je z pohledu rušení nejcitlivější. Následováno pak bude „analogovými“ 2,5 V a také -1,2 V.

Jedním z možných řešení se stává větší počet regulátorů Silent Switcher, třeba jako nejnovější 18V/2A obvody LT8622S nebo 5V/3A LTC3307B. S největší pravděpodobností zde také vyhoví požadavkům na nízké rušení bez nutnosti doplnění o vnější filtry. Pokud ale budeme tímto způsobem zajišťovat napájení u všech úrovní, rozměry a také cena se nám o něco navýší. Alternativní přístup, u kterého se snoubí veškeré výhody, jako je vysoká účinnost, nízká cena, malé rozměry a také nízké rušení, pak spočívá v PMIC a invertujícím regulátoru na pozici prvního stupně. Jako příklad si uveďme PMIC se čtyřnásobným výstupem typu LTM4644, LTC3370 či ADP5054 (pro 12 V napájení) a LT8330/ADP5073 v případě invertoru. U každého výstupu pak budou následovat nízkošumové stabilizátory pro všechny citlivé hladiny napájení, vyjma V_D = 1,2 V (viz obr. 6).

ADI rovněž nabízí PMIC Silent Switcher se čtyřmi výstupy, jako jsou LT8692S, LT8686S, LT8685S či LT7200S, bude-li vyžadováno vyšší napětí nebo i proudové zatížení. Vývojáři mohou také zvážit použití nízkošumových LDO pro 3,3 V_I/O a -1,2 V_A a nahradit PMIC plus navazující stabilizátory čtyřmi jednokanálovými regulátory Silent Switcher.

Pokud si máme nějak shrnout kritéria pro výběr, odkážeme na tab. 1 a její nízkošumová řešení. ADI obecně doporučuje použít lineární stabilizátory s mimořádně nízkým šumem, bude-li zdroj na vstupu evidentně zarušený, když máme nízké proudové odběry, pokud je na výstupu vyžadováno nejmenší zvlnění, příp. chceme docílit nejnižší úrovně šumu.

U zatěžovacích proudů přes pět ampér se prakticky bez výjimky zapojí nízkošumové PMIC či spínané regulátory. LDO lze ale i tak zapojit paralelně a vykrývat přitom vyšší odběry. V případě průtoků mezi 2 a 5 A bude již na každém vývojáři, zda si vybere mezi stabilizátory, jako jsou ADP7158 / ADP7159, LT3073 či MAX38907, nebo celou řadou regulátorů Silent Switcher.

Aplikace

ADI má k nízkošumovým stabilizátorům rozhodně co říct. Nabídka se navíc dále rozšířila po nedávném nabytí Linear Technologies a Maxim Integrated. Výrobce se tak může nyní pochlubit širokým záběrem LDO s mimořádně nízkým šumem a v rozsazích od -20 V do +20 V nebo s proudy od 100 mA do 5 A. Níže uvádíme některé typické příklady aplikací odrážející potřeby spousty zákazníků:

- proslulý výrobce fotoaparátů DSLR zvolil nízkošumové stabilizátory k napájení svých obrazových snímačů, a to díky mimořádně nízkému rušení potřebnému při zpracování signálu ze senzoru,

- výrobce nejprodávanější termokamery na Amazonu vybral LDO s nízkým šumem k napájení svých infračervených snímačů, protože na trhu nenašel řešení s menším rušením,

- odběratel pohybující se v oblasti automobilových systémů ADAS (advanced driver assistance system, Tier 1) se rozhodl pro nízkošumové stabilizátory k napájení svých radarů a vf obvodů; ADI pro něj rovněž zajišťuje kompletní řešení napájení vyhovující požadavkům AEC,

- zákazník vybral do endoskopů LDO s nízkým šumem, a to kvůli malému rušení, stejně jako rozměrům daného řešení,

- odběratel na poli ATE (automatic test equipment) pro polovodiče zvolil moduly napájení a také lineární stabilizátory od ADI, se kterými napájí své obvody ASIC,

- další zákazník používá LDO s nízkou hladinou rušení k napájení svých audio D/A převodníků ve spojení se sluchátky určenými pro hráče,

- zákazník vyrábějící tiskárny používá nízkošumové stabilizátory kvůli požadavku na malé zvlnění,

- jiný odběratel zase vsadil na LDO s malým šumem u svých průtokoměrů; důvodem je vysoký činitel PSRR a z podstaty nízké zvlnění,

- ještě další zákazník (technologie massive MIMO) používá nízkošumové lineární stabilizátory při napájení svých výkonových zesilovačů na bázi nitridu galia.

Napájecí zdroje s nízkým rušením jsou obecně vzato klíčovou záležitostí pro většinu citlivých aplikací. Vývojáři nám také řekli, že by automaticky raději zvolili nízkošumové integrované obvody pro napájení a získali tak ve svých návrzích dodatečnou rezervu. Pokud je i ve vašem případě na obzoru jakýkoli problém s interferencemi, budete chtít možná jako první zkontrolovat právě zdroj napájení.

Co čekat od pokročilých stabilizátorů do budoucna

Společnost ADI má k dispozici celou řadu LDO s mimořádně nízkým šumem a neobyčejně vysokým činitelem PSRR. Také zde navrhuje a prodává spoustu dalších stabilizátorů s různými vlastnostmi, jako je např. vysoké průrazné napětí, nízký klidový odběr nebo též adaptivní vývod umožňující předřazenému měniči sledovat zátěž LDO apod. Na trhu se také často ozývá volání po lepších stabilizátorech s více funkcemi. Máme např. zákazníky, kteří nám volají kvůli LDO s ještě menší hladinou šumu, větším počtem kanálů, možností číslicové konfigurace, rychlejší přechodovou odezvou a vůbec vším, na co si jen vzpomenete.

Stabilizátory pořád vypadají jako jednoduchá součástka. Nikdy se ale nevytratí a budou se i nadále rozvíjet, podobně jako všechny jiné polovodiče. Pokud máte jakékoli otázky nebo potřebujete pomoct, určitě se obraťte na prodejce ADI, který je k vám nejblíže. Také se podívejte na parametrické vyhledávání lineárních stabilizátorů [2] a nabídku produktů LDO Plus [3] zahrnující stabilizátory s dodatečnými funkcemi.

Odkazy:

[1] https://www.analog.com/en/products/landing-pages/001/silent-switcher.html

[2] https://www.analog.com/en/product-category/ldo-linear-regulators.html

[3] https://www.analog.com/en/product-category/ldo-plus.html