LDO-стабилизаторы Diodes Incorporated

В настоящее время практически каждый 32-бит микроконтроллер имеет в своем составе 12-бит АЦП, реже 14-бит АЦП последовательного приближения. Входная шкала этих АЦП, как правило, варьируется в пределах 2,048–2,5 В. Следовательно, величина младшего значащего разряда (МЗР) 12-бит АЦП находится в диапазоне 0,5–0,6 мВ, а для 14-бит АЦП – в диапазоне 0,125–0,15 мВ. Эти значения и задают требования к построению сигнального тракта для приложений с использованием 12-бит АЦП.

Создание шины питания для таких приложений не является очень сложной задачей, но и тривиальной ее тоже не назовешь. Выходное напряжение DC/DC-преобразователей содержат высокочастотные шумы и пульсации, которые неизбежно через шину питания «пролезают» в сигнальные цепи и с учетом наложения частот при аналогово-цифровом преобразовании могут превратиться в низкочастотную помеху.

Рис. 1. LDO-стабилизатор устанавливается между выходом DC/DC-преобразователя и нагрузкой

Чтобы очистить шину питания от высокочастотных пульсаций, применяются линейные стабилизаторы напряжения с минимально допустимым падением напряжения на них – LDO-стабилизаторы. Они устанавливаются между выходом DC/DC-преобразователя и нагрузкой, как показано на рисунке 1. Их производят немало компаний. В этой статье мы рассмотрим изделия компании Diodes Incorporated. LDO-стабилизаторы этой компании находятся среди лидеров по показателю цена/характеристики. Поскольку в производственную линейку компании входят более 80 компонентов, невозможно рассмотреть все их подробно в рамках небольшого обзора. Мы перечислим только значения основных параметров в общем виде, не указывая их конкретный тип:

• диапазон входного напряжения: 2…40 В;
• регулируемое или фиксированное выходное напряжение: 0,8–5,0 В;
• выходной ток (макс.): 150–3000 мА;
• ток собственного потребления: 0,25–6000 мкА;
• ток потребления в режиме останова: 0,01–0,1 мкА;
• минимально допустимое падение напряжения: 0,055– 1 В;
• диапазон рабочей температуры: –40…85 и –40…125°С.

​ 

Рис. 2. Функциональная схема AP2127

Поскольку принцип функционирования LDO-стабилизаторов хорошо известен, мы не будем повторяться, а лишь приведем для примера функциональную схему одного из LDO-стабилизатора, чтобы пояснить особенности этих компонентов компании Diodes Incorporated. На рисунке 2 показана функциональная схема AP2127, на рисунке 3 – схема включения этого стабилизатора. На обоих рисунках показана модификация с регулируемым напряжением. Если используется стабилизатор с фиксированным напряжением, резисторный делитель R1–R2, служащий для формирования напряжения обратной связи, устанавливается в корпус микросхемы. Пользователи не имеют к нему доступ.

Рис. 3. Схема включения AP2127

Заметим, что использование модификации с регулируемым выходным напряжением предоставляет дополнительные возможности. На рисунке 4 показано, как с помощью конденсатора Cf вводится опережающая обратная связь по напряжению. При резком нарастании входного напряжения соответствующее нарастание выходного напряжения через конденсатор Cf , который шунтирует резистор R1, поступает на усилитель ошибки регулятора, и возникший сигнал рассогласования предотвращает дальнейшей рост выходного напряжения. Другими словами, конденсатор Cf преобразует П-регулятор в ПД-регулятор. LDO-стабилизаторы довольно просты в использовании, но для их корректного применения необходимо учесть ряд особенностей.

Рис. 4. Схема включения AP2127 с опережающей обратной связью по напряжению

LDO-стабилизаторы Diodes не предъявляют повышенных требований к выходному конденсатору COUT (см. рис. 3), но все же перед тем как его выбрать, следует убедиться, что эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) обеспечит стабильность регулирования. На рисунке 5 представлена зона безопасной работы стабилизатора AP2127 в функции ESR выходного конденсатора. Если производитель конденсатора не приводит значения ESR в документации, лучше выбрать другой конденсатор.

Рис. 5. Зона безопасной работы стабилизатора AP2127 в функции ESR выходного конденсатора

Одним из назначений LDO является уменьшение пульсаций напряжения на шине питания. Поскольку коэффициент PSRR ослабления пульсаций зависит от их частоты, следует обратить внимание при выборе стабилизатора на эти зависимости. На рисунках 6 и 7 показаны зависимости PSRR от частоты стабилизаторов AP2127 и AP2022, соответственно. Как видно из этих рисунков, в диапазоне частот примерно до 80 кГц стабилизатор AP2022 выигрывает у AP2127, а при более высоких частотах выигрыш уже не стороне AP2127.

Рис. 6. Зависимости PSRR от частоты стабилизатора AP2127

Рис. 7. Зависимости PSRR от частоты стабилизатора AP2022

Чтобы пользователи смогли оценить стабилизаторы, выпускаемые Diodes Incorporated, мы приведем сводную таблицу с их основными параметрами для некоторых типичных представителей производственной линейки компании. Как видно из таблицы, выбор достаточно велик для приложений с 12- и даже 14-бит АЦП. Возможность переключить стабилизатор в режим пониженного энергопотребления с током 0,01 мкА позволяет использовать стабилизаторы AP2125, AP2202 и AP2204 в приложениях с батарейным питанием.

Обратим внимание на сбалансированность параметров инженерной лаконичности разработки. В LDO предусмотрены все необходимые функции (защита по току, тепловая защита, режим пониженного энергопотребления), и нет ничего лишнего. Подобный подход позволяет максимально снизить стоимость регуляторов, но при этом обеспечить очень хорошие параметры для рассматриваемых приложений с 12- и 14-бит АЦП.

Например, в качестве проходного ключа используются только p-канальные полевые транзисторы, хотя сопротивление канала у них выше, чем у n-канальных аналогов. Дело в том, что напряжение затвора p-канального транзистора должно быть меньше напряжения истока, что всегда выполняется, т.к. входное напряжение это и есть напряжение истока. При использовании в качестве проходного элемента n-канального транзистора напряжение затвора должно быть больше напряжения истока. Для реализации этого решения в кристалл стабилизатора придется дополнительно встроить зарядовый насос, что увеличит стоимость устройства. По этой причине в компании отказались от такой идеи.

Глядя на таблицу с параметрами, можно сказать, что есть стабилизаторы с лучшими параметрами. Например, можно использовать LDO-регулятор LT3042 компании Analog Devices с шумом 0,8 мкВ (СКЗ) в диапазоне 10 Гц…100 кГц, PSRR = 70 дБ на частоте 1 МГц. Отличный регулятор, очень хорошо подойдет для приложения, где величина входного сигнала составляет не более нескольких микровольт. Но для приложений, о которых идет речь в нашей статье, его использование бессмысленно. И 12-, и 14-бит АЦП не «увидят» разницу между этим регулятором и любым другим LDO из приведенной выше таблицы и точность измерения не повысится. А стоимость LDO-стабилизатора может измениться в 100 раз больше, но при этом параметры системы не улучшатся!

Полный ассортимент продукции Diodes Incorporated, поставляемый Промэлектроникой, в том числе линейные стабилизаторы.

Новые поступления LDO-стабилизаторов приведены в таблице: