česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 07. červenec 2022

Drahé zátěže ochrání aktivní vybíjení výstupu

DPS 6/2016 | Součástky - články
Autor: Steve Knoth, Linear Technology

S lineárními stabilizátory se v moderních elektronických systémech potkáváme na každém kroku. Přestože budou tyto nízkoúbytkové prvky LDO nejdražší součástkou v zařízení jen zřídka, bývají z hlediska nákladů a užitku, který přináší, často jedním z nejcennějších obvodů vůbec. Jeden z jejich úkolů spočívá v ochraně připojené zátěže pro případ drsnějších provozních podmínek – přehřátí, přechodová napětí, zarušené napájení, přepólování, proudové nárazy a také otázka EMI či ESD. Jednoduše řečeno, jejich návrh musí být robustní a také obsahovat veškeré prvky, jejichž aktivací pak dochází k nezbytné ochraně zátěže. To však spousta levných stabilizátorů nenabídne, a když pak v praxi selhávají, často přitom nepoškodí pouze sebe, ale rovněž i připojenou zátěž.

Ukázkovým příkladem drahé a zároveň citlivé zátěže, kterou musíme chránit, se stávají obrazové snímače. Obsahují zpravidla složité číslicové obvody, s nimiž scénu rovnou převádíme do digitální podoby. Nejoblíbenější dva typy zde tvoří struktury CCD (charge-coupled device) a CMOS. Setkáváme se s nimi v řadě aplikací – od endoskopu až po bezpečnostní kamery.

Některé aplikace potřebují při zapínání a vypínání řídit napájení. V návrzích s větším počtem takových hladin budou např. FPGA, ASIC, DSP, mikroprocesory a jiné číslicové integrované obvody vyžadovat dodržování speciálních posloupností, jinak také může dojít k poškození obvodů nebo potížím se systémovou logikou power-on-reset. Názornými příklady aplikací s vysokou spolehlivostí, kde musíme mít výstupní stav pod kontrolou – zejména pak v případě neustálého zapínání a vypínání napájení – se stává vojenská technika, letecká elektrotechnika nebo kosmický výzkum.

Abychom toho všeho dosáhli, můžeme v rámci lineárního stabilizátoru využít funkce aktivního vybíjení výstupu, která výstup LDO rychle vybije a nebude přitom záviset na jeho zátěži nebo odporovém děliči. Při výpadku vstupního napětí nebo aktivaci shutdownu k takovému účelu poslouží spínač NMOS. Zásadní výhodu součástek s aktivním vybíjením výstupu tvoří právě známý stav výstupu po jeho vypnutí. Ten je pokaždé vybíjen rychle a předvídatelně, bez ohledu na stav zátěže. Velmi to oceníme u zapojení závislých na přesném řízení posloupnosti napájecího napětí během vypínání, typicky u zmiňovaných obrazových snímačů nebo mikrokontrolérů.

Stabilizátory nebo něco jiného?

Snižování malých napětí – jejich konverzi a také regulaci můžeme vyřešit různými způsoby. Spínané měniče pracují s vyšší účinností v širokém napěťovém rozsahu, ke své činnosti však vyžadují nejen indukčnosti, ale rovněž kapacity a zaberou tudíž i více místa na desce plošného spoje. Také můžeme vybírat mezi nábojovými pumpami – měniči napětí se spínanými kapacitami, budeme ale omezeni proudovou zatížitelností výstupu a pro zajištění funkce, včetně její stability, nesmíme zapomenout na vnější kondenzátory.

Lineární stabilizátory s nízkým úbytkem napětí budou zpravidla méně účinné, ale generují zase méně šumu a ve snižujících aplikacích (step-down) je také snadněji použijeme. Vývoj se naštěstí nezastavil a moderní metody návrhu spolu s výrobními procesy waferů umožnily lineárním stabilizátorům dostat se v této oblasti ještě dále. Můžeme zde počítat s nebývale rychlou odezvou na přechodové jevy, nízkým úbytkem napětí, malým provozním napětím s výstupem dosahujícím typicky až k 0,6 V, možností zatížit výstup vysokými odběry a také jednoduchým napájením.

Současná generace rychlých číslicových integrovaných obvodů typu FPGA, DSP, CPU nebo ASIC pracujících s malým napětím a vysokými proudy přináší pro napájení jádra a I/O kanálů přísné požadavky. A „zavděčit“ se takovým obvodům nebude jen tak. Dlouhou dobu se pro napájení těchto součástek využívaly účinné měniče, které však mohou mít problémy kvůli rušivým interferencím, přechodovým charakteristikám nebo omezením layoutu. Jako vhodná alternativa si ve zmíněných aplikacích a dalších nízkonapěťových snižujících systémech nyní hledají svou vlastní cestu právě lineární stabilizátory LDO. Díky posledním inovacím a vylepšením se situace naštěstí mění a s použitím nových stabilizátorů tak může jít ruku v ruce též i minimum kompromisů.

Úskalí návrhu s LDO

Spousta běžných lineárních stabilizátorů nabídne malé úbytky napětí spolu s možností jednoduchého napájení, nicméně většina z nich už neumí spojit převod na docela nízké výstupní napětí až 0,6 V společně s malým rušením na výstupu, širokým rozsahem vstupních a výstupních napětí nebo četnějšími ochranami. Odpovídající úbytek se v případě PMOS LDO s jednoduchým napájením nevylučuje, kvůli charakteristikám tranzistoru VGS jsme však omezeni malým vstupním napětím. Součástky stavějící zase na strukturách NMOS přináší rychlou odezvu na přechodové děje, ale musíme jim kvůli předpětí zajistit dvojí napájení. Regulátory s NPN pak znamenají široký rozsah napětí na vstupu i výstupu, nicméně požadují buď dvě napájecí napětí, nebo vyšší úbytek. Struktury PNP naproti tomu mohou s náležitou architekturou vykázat nízký úbytek, možnost vysokých vstupních napětí, nízký šum a konverzi na malá napětí s patřičnou ochranou i v případě jednoduchého napájení.

Zmenšující se výrobní technologie v moderních digitálních obvodech znamenají též nižší provozní napětí. Vyšší proudy a menší výstupní napětí pak budou u celé řady stávajících vstupních napěťových hladin znamenat i rostoucí výkonové zatížení lineárního stabilizátoru, které se mění přímo na teplo. K minimalizaci nárůstu teploty uvnitř čipu a pro dosažení lepších teplotních poměrů celé aplikace proto budou nezbytné nejnovější metody pouzdření. A nejen to. Výkonovou ztrátu dokáže ve spojení s teplotními kritérii dále snížit právě lineární stabilizátor pracující s malými úbytky napětí, kdy tak omezuje na minimum rozdíl mezi napětím na vstupu a výstupu při současném udržení žádané regulace i její stability.

Další kapitolu tvoří požadavek na vysoké PSRR (Power Supply Ripple Rejection) a nízké rušení, pozorované na výstupu. Součástky s vysokou mírou potlačení zvlnění napájecího napětí snadno odfiltrují rušivé projevy a zamezí tak jejich prostupu ze vstupu na výstupní piny, takže ve výsledku dostáváme čistý a stabilizovaný výstup. Obvody s minimálním rušením svého výstupu oceníme napříč širokým kmitočtovým pásmem v napájecích větvích, u kterých potřebujeme zohlednit citlivost vůči šumu. Nízké rušení výstupního napětí je totiž u vysokých proudových odběrů zcela nepochybně nutnou podmínkou.

Některé LDO nabízí v rámci ochrany připojené zátěže možnost aktivního vybíjení výstupu, nicméně současná řešení se budou spouštět jen po aktivaci shutdownu. Návrh „duální“ verze obvodů pro aktivní vybití, kdy vše startuje i na základě výpadku vstupního napětí, znamenal až do této chvíle určité potíže.

Nový stabilizátor s jednoduchým napájením

Je jasné, že řešení stabilizátoru s aktivním vybíjením výstupu by mělo mít následující vlastnosti:

  • jednoduché napájení pro snadné použití
  • rychlá odezva na přechodové děje
  • práce v širokém rozsahu vstupních i výstupních napětí
  • vysoká proudová zatížitelnost výstupu
  • malý výstupní šum
  • velmi malé úbytky napětí
  • skvělé teplotní charakteristiky
  • vysoké PSRR v širokém kmitočtovém pásmu
  • duální obvody aktivního vybíjení výstupu spouštěné buď přes SHDN, nebo odpojením VIN

Nedávno představený obvod od společnosti Linear Technology, nízkoúbytkový 500mA stabilizátor LT3066 s aktivním vybíjením výstupu, naštěstí všechny zmíněné vlastnosti má. Oceníme jej v aplikacích vyžadujících známý stav výstupu po vypnutí. Výstup je pokaždé vybíjen rychle a přesně dle očekávání a stav zátěže zde nehraje roli.

LT3066 se tak stává precizním nízkošumovým stabilizátorem s nastavitelným proudovým omezením, aktivním vybíjením, výstupem Power Good a vylepšeným PSRR pracujícím v širokém rozsahu napětí. Na svém výstupu dodá až 0,5 A při úbytku 300 mV za plného zatížení. Vestavěný tranzistor NMOS pak oproti zemi vybíjí výstup, a to buď po aktivaci vývodu SHDN, nebo na základě odpojení vstupního napětí. Takový rychlý zásah na výstupu pomůže chránit připojenou zátěž v aplikacích vyžadujících dohled nad napájením jak po zapnutí, tak i při vypínání – např. u špičkových obrazových snímačů nebo mikrokontrolérů.

Vstupní napětí LT3066 se pohybují od 1,8 V až do 45 V, zatímco výstup nastavíme mezi 0,6 V a 19 V. Funkci měkkého startu a možnost pracovat s nízkou hladinou šumu 25 μVRMS v pásmu od 10 Hz do 100 kHz zajišťuje jediný kondenzátor připojený k vývodu REF/BYP. Pokud jde o toleranci výstupního napětí, můžeme při změnách na vstupu, zátěže či s teplotou počítat s ±2 %. Doplňková a opět jediná kapacita na vývodu INFILT pak dále zlepšuje PSRR o 15 až 30 dB v pásmu od 20 kHz až do 1 MHz, zatímco na frekvenci 1 MHz PSRR dosahuje 60 dB.

Obr. 1 Typické zapojení a vlastnosti obvodu LT3066

Stabilizátory LT3066 na svém výstupu pracují s malými a levnými keramickými kapacitami o minimální velikosti 3,3 μF. O stavu výstupu informuje vývod PWRGD a proudové omezení s přesností ±10 % napříč teplotním rozsahem zase definuje další rezistor. A nechybí zde ani vnitřní ochrany, např. proti přepólování, zpětnému průchodu proudu, máme zde proudové omezení (foldback) a rovněž teplotní pojistku. Obvody aktivního vybíjení přichází v rámci bezpečné provozní oblasti tranzistoru SOA s charakteristikou foldback – chrání NMOS při napětích na výstupu větších než 6 V a zajišťují maximální a zároveň bezpečný rozsah vývodu OUT mezi –1 V a +20 V. Široký rozsah vstupních a výstupních napětí, rychlé odezvy, nízké vlastní odběry 64 μA (během provozu) a <3 μA (shutdown) oceníme v průmyslových aplikacích, avionice, automobilovém průmyslu, systémech napájených z baterií a všude tam, kde požadujeme optimální výdrž, vysokou spolehlivost a rozšířené ochrany. Možnosti zapojení vidíme na obr. 1.

Obr. 2 zachycuje výhody aktivního vybíjení výstupu v případě 500mA obvodu LT3066 ve srovnání s jemu podobným LT3065, který rovněž zvládá zatížení do 0,5 A, ale bez funkce vybití.

Obr. 2, 3

LT3065 v tomto případě zatížíme proudovým odběrem 10 mA, zatímco LT3066 jen odporovým děličem nastavujícím výstupní napětí – v tomto případě 10 μA. Třebaže máme výstup LT3066 zatížen pouze nepatrně, jeho výstupní napětí kvůli aktivnímu vybíjení rychle klesá. To ovšem neplatí o LT3065 (10 mA), jehož výstupní kapacitu vybije pouze připojená zátěž, a navíc výrazně pomaleji.

Překročí-li výstupní napětí přibližně 7 V, nastupuje při aktivním vybíjení LT3066 charakteristika foldback a výstupní tranzistor tak pomáhá omezit výkonové ztráty celé součástky. Na průběhu z osciloskopu se 12V výstup mezi 12 V až 7 V právě z tohoto důvodu vybíjí pomaleji. Obvody LT3066 tak budou chráněny v případě vyšších napětí a také větších kapacit nebo když se takové napětí při selhání systému dostane na výstup.

Základní výhoda součástek s aktivním vybíjením spočívá v dosažení známého stavu výstupu po vypnutí – pokaždé se tak stane rychle, předvídatelně a nezávisle na zátěži. To je v aplikacích závislých na přesném řízení posloupnosti napájecích napětí při vypínání velmi důležité.

Ještě lepší PSRR

V porovnání s dalšími členy rodiny obvodů LT306x nabízí LT3066 v otázce PSRR lepší výsledky. Může za to vývod INFILT, samostatný vstupní pin dodávající napájení pro zesilovač odchylky a referenci. S vývodem IN jej spojuje interní rezistor 140 Ω. Zapojíme-li pak mezi vývod INFILT a zem blokovací kapacitu, vytvoříme tím RC filtr, který v případě zesilovače i reference potlačí zvlnění vstupního napětí. S kondenzátorem 0,47 μF dosáhneme na frekvencích nad 10 kHz zlepšení PSRR až o 30 dB. Pokud však takovou filtraci nevyužijeme, stačí mezi sebou vývody INFILT a IN pouze propojit. Lepší výsledky obvodu LT3066 oproti LT3065 dokládá obr. 3.

Rodina obvodů LT306x

Funkci aktivního vybíjení výstupu pro ochranu citlivých zátěží ovšem každý návrh nevyžaduje, stejně jako třeba výstupní proudy až 500 mA. Společnost Linear Technology proto nabízí dalších pět členů rodiny obvodů LT306x s kombinací většího rozsahu vstupního i výstupního napětí, nízkého úbytku, malého šumu na výstupu, četnějších ochranných prvků, rychlé odezvy nebo výstupní zatížitelnosti od 100 mA až do 500 mA, zatímco některé stabilizátory budou mít rovněž funkci aktivního vybití. Rozdíly mezi jednotlivými verzemi zachycuje tabulka 1.

Tabulka 1 Přehled možností LDO řady LT306x

Závěr

Nové postupy v návrhu obvodů a zdokonalené výrobní procesy waferů rozšiřují možnosti LDO s tranzistory PNP. Takové typy stabilizátorů, například od Linear Technology, přináší vývojářům odpovídající ochranné prvky, široký rozsah vstupních a výstupních napětí, nízkou hladinu šumu, rychlé odezvy nebo malé úbytky napětí a stačit jim k tomu bude i jednoduché napájení.

Nová rodina stabilizátorů LT306x pak znamená celkem šest součástek s výstupními proudy od 100 mA do 500 mA. Tři z nich dále nabídnou ucelené řešení nových duálních struktur pro aktivní vybíjení výstupu, které upotřebíme při ochraně drahých a citlivých zátěží.

U obrazových snímačů a v dalších systémech s požadavkem na vysokou spolehlivost umožňují precizně řídit posloupnosti napájecího napětí.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik