Линейные регуляторы напряжения компании STMicroelectronics

Линейные регуляторы (стабилизаторы) напряжения находят широкое применение в современных системах электропитания электронных устройств. Известно, что импульсные регуляторы обладают, как правило, более высоким значением КПД, однако создают на выходе помехи с частотой коммутации, и по этой причине не всегда пригодны для питания схем, чувствительных к пульсациям. Кроме того, достоинствами линейных регуляторов являются более простая схема включения (и, как следствие, минимальное количество компонентов обвязки) и низкая стоимость. В связи с этим у различных производителей электронных компонентов линейные регуляторы занимают важную нишу в номенклатуре микросхем управления питанием.

Стандартные линейные регуляторы

Изначально в линейных стабилизаторах в качестве регулирующего элемента использовался биполярный составной npn-транзистор, управляемый биполярным транзистором pnp-типа. Регуляторы этого типа принято называть стандартными. Они выпускаются многими производителями и имеют, как правило, единую систему обозначений — серии L78 и L79 (соответственно, для положительных и отрицательных выходных напряжений). Номенклатура компании STMicroelectronics включает следующие стандартные линейные регуляторы:

– серия L78Lxx — максимальный ток нагрузки до 0,1 А;

– серия L78Mxx — максимальный ток нагрузки до 0,5 А;

– серия L78xxA — максимальный ток нагрузки до 1,0 А;

– серия L78xx — максимальный ток нагрузки до 1,5 А;

– серия L78Sxx — максимальный ток нагрузки до 2,0 А.

Типовые характеристики стандартных стабилизаторов следующие:

– максимальное входное напряжение — до 35…40 В;

– падение напряжения на регулирующем элементе — от 1,7 В и более;

– точность стабилизации — 2…4%;

– собственный ток — 6 мА.

Несмотря на более чем скромные характеристики, невысокая стоимость, простота применения, разнообразие значений выходных напряжений и корпусов обеспечивают стандартным регуляторам стабильную нишу при создании простых и недорогих схем электропитания.

Классификация и терминология

Падение напряжения на регулирующем элементе VDROP является ключевым параметром линейного стабилизатора. Стабилизаторы с высоким значением VDROP затруднительно применять в устройствах с малыми входными напряжениями (например, в батарейных источниках питания), с ограничениями по мощности источников питания, в конструкциях с ограниченными возможностями по отводу тепла. Собственно говоря, стремление к снижению этого параметра определило дальнейшую эволюцию линейных регуляторов.

Компания STMicroelectronics разделяет выпускаемые ею линейные регуляторы на три основные группы:

– стандартные регуляторы (с положительным или отрицательным выходным напряжением);

– регуляторы с малым падением напряжения (Low DropOut — LDO);

– регуляторы с очень малым падением напряжения (very Low DropOut — vLDO).

Учитывая тот факт, что различные производители зачастую вкладывают в эти термины разный смысл, постараемся прояснить термин LDO.

Рис. 1. Основные типы регулирующего элемента в линейных стабилизаторах

На рисунке 1 представлены различные технологические исполнения регулирующего элемента (проходного транзистора) [1]:

1. Составной npn-транзистор (схема Дарлингтона), управляемый pnp-транзистором.

2. Одиночный pnp-транзистор.

3. Одиночный npn-транзистор, управляемый pnp-транзистором.

4. Полевой p-MOS транзистор;

5. Составной полевой n-MOS транзистор.

Как отмечалось выше, линейные стабилизаторы с регулирующим элементом первого типа называются стандартными. Поскольку у остальных типов значение падения напряжения VDROP действительно ниже, то часто под термином «LDO-регуляторы» понимают линейные регуляторы всех этих типов.

Некоторые производители (например, National Semiconductor) третий тип выделяют в группу т.н. «квази-LDO», подчеркивая тем самым, что они занимают промежуточное положение между стандартными линейными регуляторами 78хх и собственно LDO.

Также иногда, говоря о четвертом и пятом типах, добавляют «LDO на MOS-транзисторах». Иными словами, разные производители одним и тем же термин могут обозначать регуляторы разных типов и, наоборот, один и тот же тип регуляторов именовать по-разному.

Но поскольку предметом статьи являются линейные регуляторы STMicroelectronics, то разумно, по крайней мере, в рамках данной статьи, пользоваться терминологией этой фирмы, имея в виду, что:

– стандартные стабилизаторы используют в качестве регулирующего элемента npn-транзистор (т.е. тип 1);

– LDO-регуляторы используют одиночный npn-транзистор (т.е. тип 3);

– vLDO-регуляторы используют одиночный pnp-транзистор или полевые транзисторы (т.е. типы 2, 4 и 5).

Регуляторы с малым падение напряжения (LDO)

Номенклатура и технические характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics представлены в таблице 1.

Как уже отмечалось, в линейных стабилизаторах этих серий в качестве регулирующего элемента используется одинарный npn-транзистор. За счет этого падение напряжения уменьшено до 1,1…1,3 В. По сравнению со стандартными регуляторами, также повышена точность установки выходного напряжения.

Микросхемы выполнены по стандартной 3-выводной схеме — VIN, VOUT, GND (или ADJ для стабилизаторов с регулируемым выходным напряжением) и, в целом, были предназначены для замены стандартных регуляторов, поскольку обеспечивали совместимость по корпусам и цоколевке выводов, но имели лучшие параметры, по сравнению с семействами L78xx.

Номиналы выходных напряжений в таблице 1 приведены из [2], однако следует иметь в виду, что с течением времени этот перечень может претерпевать изменения.

Данные серии также выпускаются многими производителями, и числовые коды 1084—1086, 1117 (возможно с другими префиксами) являются общепринятыми среди производителей электронных компонентов.

Регуляторы с очень малым падение напряжения (vLDO)

Рассматривая номенклатуру vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics, целесообразно условно выделить мощные регуляторы (с максимальным током нагрузки от 0,5 А) и маломощные — с током в нагрузке 50…300 мА. Рассмотрим мощные vLDO-регуляторы, номенклатура и технические характеристики которых представлены в таблице 2.

Таблица 2. Номенклатура и характеристики мощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Изделие	Ток нагрузки, А	Падение напряжения, В	Макс. входное напряжение, В	Точность, %	Собств. ток, мА	Выходное напряжение, В
						0,8	1,0	1,2	1,5	1,8	2,5	3,0	3,3	5,0	6,0	8,0	9,0	12,0	Adj.
LD1580	7,0	0,40	6	1,0					V	V			V						V
LD29300	3,0	0,40	30	1,0	45,0				V	V	V		V	V		V			V
LD39300	3,0	0,20	6	1,5	1,2			V		V	V		V						V
LD29150	1,5	0,40	30	3,0	30,0				V	V	V		V	V		V			V
LD39150	1,5	0,20	6	1,5	1,0			V		V	V		V						V
LD49150	1,5	0,20	6	1,5	4,0	V	V	V											V
LD39100	1,0	0,20	7	2,0	0,2			V			V								V
LD29080	0,8	0,40	30	1,0	14,0				V	V	V		V	V			V		V
LD39080	0,8	0,15	6	1,5	1,0			V	V	V	V		V						V
KFxxB	0,5	0,40	20	2,0	12,0				V		V	V	V	V	V	V		V
LD39050	0,5	0,20	7	2,0	0,2		V	V			V		V						V
LFxxAB	0,5	0,40	40	1,0	12,0				V	V	V	V	V	V	V	V	V	V

В первую очередь, имеет смысл выделить две основные серии: LD29yy0 и LD39yy0. В обозначениях: yy — максимальный нагрузочный ток (например, 30…3 А; 5…0,5 А).

Стабилизаторы семейства LD29yy0 характеризуются, во-первых, широким диапазоном входных напряжений. Соответственно, и диапазон выходных напряжений достаточно широк — до 8…9 В для микросхем с фиксированным выходным напряжением и до 6…15 В — для стабилизаторов с регулируемым выходом. С этой точки зрения, они в большей степени, чем остальные семейства, могут рассматриваться как замена стандартных и LDO-регуляторов. Однако, по сравнению с остальными семействами vLDO-регуляторов, для них характерно большее значение падения напряжения и большее значение собственного тока.

Регуляторы семейства LD39yy0 ориентированы на работу в системах с низковольтной нагрузкой — входное напряжение не превышает 6 В, а выходное — до 3,3 В для фиксированных напряжений. С другой стороны, регуляторы этой серии имеют вдвое меньшее (по сравнению с регуляторами LD29yy0) падение напряжения, существенно меньшее значение собственного тока и могут быть использованы в системах распределенного электропитания в качестве источников питания Point-of-Load (PoL).

Серия LD49150 по основным параметрам сравнима со своим прототипом LD39150, но поддерживает низковольтные напряжения 0,8…1,0 В.

Серии KFxxB и LFxxAB ориентированы на работу в широком диапазоне входных напряжений. Они не имеют исполнений с регулируемым выходным напряжением, однако номенклатура фиксированных номиналов включает не только широко распространенные номиналы, но и довольно редко используемые. Также возможно исполнение стабилизаторов с произвольным значением номиналов выходного напряжения (с шагом 0,1 В) на заказ.

Серия LD1580 в определенном смысле является исключением. Как правило, и линейные, и импульсные стабилизаторы с высокими токами нагрузки (в данном случае до 7 А) исполняются в виде контроллеров, т.е. используется внешний проходной (коммутирующий — для импульсных регуляторов) транзистор, тип и параметры которого разработчик выбирает самостоятельно. Кроме того, прочие производители выполняют стабилизаторы с токами нагрузки выше 5 А по технологии «квази-LDO». В случае LD1580 имеет место LDO-стабилизатор без каких-то оговорок — в качестве проходного транзистора используется одинарный pnp-транзистор (тип 2 на рисунке 1). Тем не менее отметим, что технические параметры этой серии соответствуют уровню весьма высоких для отрасли образцов.

Подводя промежуточный итог, отметим: по сравнению с регуляторами «квази-LDO», падение напряжения для vLDO-регуляторов с широким диапазоном входных напряжений снижено примерно в 3 раза, а для регуляторов с низковольтным входным напряжением — примерно в 6 раз.

Далее рассмотрим номенклатуру маломощных vLDO-регуляторов, характеристики которых сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Номенклатура и характеристики маломощных vLDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Изделие	Ток нагрузки, А	Падение напряжения, В	Макс. входное напряжение, В	Точность, %	Собств. ток, мА	Выходное напряжение, В
						0,8	1,2	1,5	1,8	2,5	2,8	3,0	3,3	3,5	4,0	4,7	5,0	12,0	Adj.
LD3980	0,3	0,13	4	1,0	0,1	V			V
LDS3985	0,3	0,40	6	3,0	0,2			V	V	V	V	V	V
L4931xxAB	0,25	0,40	20	1,0	4,0			V		V			V	V			V	V
LD2985	0,15	0,28	16	1,5	2,0			V	V	V	V	V	V	V		V	V
LD3985	0,15	0,10	6	3,0	0,17		V	V	V	V	V	V	V		V	V
LD39015	0,15	0,08	6	2,0	0,04	V	V	V	V	V			V
LD39115	0,15	0,08	6	2,0	0,04		V	V	V		V	V	V
LD2981	0,1	0,17	16	0,8	1,0				V	V	V	V	V			V	V
LExxAB	0,1	0,20	20	1,0	1,5					V		V	V	V	V	V	V	V
LK115	0,1	0,20	20	3,0	0,3							V	V		V	V	V
LM2931	0,1	0,25	40	3,0	2,5					V			V				V		V
LD2979	0,05	0,20	16	2,0	0,5						V	V	V				V
LD2980	0,05	0,12	16	0,5	0,5				V	V	V	V	V			V	V

Анализируя таблицу 3, можно сделать вывод: для vLDO-регуляторов с широким диапазоном входного напряжения значение VDROP снижено до 250 мВ и менее, а для регуляторов с малым входным напряжением — до 150 мВ и менее. Значения собственных токов, за несколькими исключениями, исчисляются в десятках или сотнях мкА. Как следствие, минимизируется рассеиваемая на регуляторе мощность, что позволяет использовать миниатюрные корпуса, снижая тем самым общие габариты устройств. Кроме того, все vLDO-регуляторы имеют вход отключения нагрузки (Inhibit, Enable, Control и т.д.), и ток собственного потребления в выключенном режиме снимается до единиц мкА. В результате время автономной работы прибора при питании от батарейного источника может быть значительно увеличено.

Из серий с малым входным напряжением следует выделить LD39015 и LD39115 с минимальными значениями падения напряжения и тока собственного потребления. Совокупность этих параметров делает эти регуляторы оптимальным решением для мобильных устройств с батарейным питанием.

Высокие точностные характеристики серии LD2980 позволяют их использовать в качестве источников питания отдельных прецизионных аналоговых микросхем (например, Point of Load).

Отметим также, что в маломощных vLDO-стабилизаторах практически не используются варианты с регулируемым выходным напряжением. За редким исключением, в этом нет необходимости, поскольку номинальные значения серий LD2985, LD3985 перекрывают не только типовые номиналы, но и многие достаточно экзотические значения.

Опять же отметим, что большое количество возможных номиналов выходных напряжений, постоянное появление модификаций с новыми значениями сделали нецелесообразным перечисление их всех в таблицах 2 и 3. Полный спектр имеющихся модификаций приведен в [2] и на сайте компании производителя www.st.com.

Многофункциональные линейные регуляторы

Рассмотренные выше линейные регуляторы имели универсальный характер, т.е. область их применения изначально была не определена (хотя совокупность их параметров, возможно, делала эти регуляторы весьма приемлемыми для отдельных приложений). Наряду с универсальными регуляторами компания STMicroelectronics выпускает регуляторы под конкретные приложения, а именно:

– линейные регуляторы для LNB-конверторов (LNB — Low Noise Block) спутниковых антенн (семейства LNBK и LNBP);

– регуляторы для зарядных устройств аккумуляторных батарей;

– линейные регуляторы — драйверы мощных светодиодов (серии STC, STBC).

Последние рассмотрим более подробно. В этой линейке компания STMicroelectronics предлагает три микросхемы: STCS05, STCS1 и STCS2 (а также их модификации с суффиксом A), которые обеспечивают стабилизацию тока, соответственно, 500 мА, 1 и 2 А.

Известно, что светодиод является электронным прибором, который управляется величиной протекающего через него тока. Стабилизатор (как линейный, так и импульсный) с регулируемым выходным напряжением можно использовать в качестве источника стабилизированного тока для светодиода, если вместо верхнего резистора в делителе включить светодиодную нагрузку, что иллюстрируется рисунком 2.

Рис. 2. Регулятор постоянного напряжения и регулятор постоянного тока

Рисунки 3 и 4 иллюстрируют, соответственно, функциональную схему регуляторов серии STCS и типовую схему их включения.

В первую очередь, обратим внимание на следующее. В традиционных линейных регуляторах проходной транзистор включен между выводами VIN и VOUT. А светодиодная нагрузка (см. рис. 2) — между выходом VOUT и выводом цепи обратной связи FB. На рисунках 3 и 4 ситуация обратная — светодиодная нагрузка включена между выводами VIN и DRAIN (выполняет функцию VOUT), а проходной транзистор — между выводами DRAIN и FB. Это не имеет существенного значения, поскольку и в первом, и во втором случаях транзистор и светодиодная нагрузка включены последовательно. Как и на рисунке 2, резистор RFB задает величину стабилизированного тока, протекающего через светодиодную нагрузку. Формула зависимости тока, протекающего через светодиоды, от номинала резистора приведена в [3].

Рис. 3. Функциональная схема линейных регуляторов серии STCS

Рис. 4. Типовая схема включения линейных регуляторов серии STCS

Вход EN выполняет функцию разрешения работы стабилизатора. Низкий уровень сигнала на этом входе отключает стабилизатор от нагрузки. Для полного включения светодиода (естественно, с учетом номинала резистора RFB) на вход PWM подается постоянный высокий уровень. При необходимости диммирования (управления световым потоком) — ШИМ-сигнал, причем его скважность пропорциональна излучаемому световому потоку. Выход DISK является признаком нормальной работы стабилизатора (по аналогии с PowerGood).

Какие возможности предоставляют данные драйверы? Известно, что светодиод номинальной мощностью 1 Вт питается током 350 мА. Светодиоды мощностью 3 и 5 Вт питаются током порядка 800 и 1200 мА, соответственно. Следовательно, микросхемы STCS05, SNCS1 и STCS2 в первую очередь предназначены для работы с цепочками 1-, 3- и 5-Вт светодиодов. Число светодиодов, последовательно включенных в цепочку, определяется значением прямого напряжения на светодиоде (для белых светодиодов — в диапазоне 3,2…4,0 В) и значением входного напряжения. Естественно, что при достаточной величине тока несколько аналогичных цепочек можно включить параллельно.

Заключение

Рассматривая линейные регуляторы компании STMicroelectronics, нельзя не заметить преемственность в переходе от предыдущей линейки к следующей: сначала от стандартных регуляторов к LDO, затем от LDO к vLDO. В ряде случаев это если и не прямая замена, то замена с минимальными затратами сил и времени. В номенклатуре STMicroelectronics минимальное количество изделий с дополнительными функциями (контроль входного питания, флаг ошибки, управление сбросом микросхем нагрузки и т.д.). Упор делается на улучшение ключевых параметров, минимизацию рассеиваемой мощности, переход на корпуса с минимальными размерами.

Образцы и опытные партии линейных регуляторов напряжения всегда можно приобрести со склада компании КОМПЭЛ www.compel.ru. Москва: тел.(495) 9950901, E-mail: msk@compel.ru, Санкт-Петербург: (812) 3279404, E-mail: spb@compel.ru

Литература

1. Обзор линейных стабилизаторов напряжения LDO-типа фирмы National Semiconductor//Электроника-инфо. № 4—6. 2006.

2. Linear and switching voltage regulators. Документ sglinreg0907.pdf компании STMicroelectronics//www.st.com/stonline/products/promlit/pdf/sglinreg0907.pdf.

3. STCS1. 1.5 A max constant current LED driver. Документ stcs1.pdf компании STMicroelectronics//www.st.com/stonline/products/literature/ds/13415/stcs1.pdf.