Импульсный или линейный стабилизатор в цепи питания платы

Выбор между линейным и импульсным стабилизатором в цепи питания платы решает три задачи сразу: сколько тепла придётся отвести, какой уровень помех получит аналоговая часть и во сколько обойдётся обвязка. Оба типа выдают стабильное напряжение, но делают это принципиально по-разному — линейный рассеивает избыток мощности в виде тепла, импульсный преобразует энергию с накоплением в дросселе. Отсюда и различия в применении.

Разберём, как считаются потери и нагрев, где каждый тип уместен, что входит в обвязку и какие данные нужны для подбора. Микросхемы лежат в разделе управления питанием.

Как считаются потери

• Линейный стабилизатор. Рассеиваемая мощность равна разности входного и выходного напряжений, умноженной на ток нагрузки. При входе 12 В, выходе 3,3 В и токе 0,5 А это 4,35 Вт тепла — больше, чем полезная мощность 1,65 Вт.
• Коэффициент полезного действия линейного стабилизатора равен отношению выходного напряжения к входному. В примере выше это 27 %: три четверти потребляемой энергии уходит в нагрев.
• Импульсный стабилизатор. Потери складываются из проводимости ключа, потерь на переключение, сопротивления обмотки дросселя и потерь в его сердечнике. Коэффициент полезного действия обычно 85–95 % и слабо зависит от разности напряжений.
• Тепло импульсного преобразователя в том же режиме составит около 0,2–0,3 Вт — радиатор не требуется, достаточно полигона меди на плате.
• Проверка по температуре. Для линейного стабилизатора рассеиваемая мощность умножается на тепловое сопротивление корпуса и прибавляется к температуре среды. Результат сравнивается с предельной температурой кристалла с запасом не меньше 20 °C.
• Ток покоя. Для изделий с батарейным питанием существеннее не коэффициент полезного действия, а собственное потребление в режиме ожидания — этот параметр смотрится отдельно.

Сравнение по применению

Где уместен линейный стабилизатор

• Разность входного и выходного напряжений невелика — до 1–2 В, а ток не превышает нескольких сотен миллиампер.
• Питание аналоговой части: опорные источники, усилители, тракты аналого-цифровых преобразователей, где пульсации напрямую влияют на результат измерения.
• Радиочастотные узлы, чувствительные к помехам по питанию.
• Постстабилизация: импульсный преобразователь понижает напряжение до промежуточного уровня, линейный доводит его до нужного и подавляет пульсации.
• Изделия с жёстким ограничением по месту, где вторая индуктивность на плате нежелательна.
• Схемы с малым током покоя в режиме ожидания, где импульсный преобразователь проигрывает по собственному потреблению.

Где нужен импульсный преобразователь

• Питание от 12, 24 или 48 В при выходном напряжении цифровой части 5, 3,3 или 1,8 В.
• Токи от полуампера и выше, где линейный стабилизатор требует радиатора и увеличивает нагрев корпуса изделия.
• Батарейное питание, где каждая доля коэффициента полезного действия продлевает время работы.
• Необходимость повысить напряжение или получить отрицательное — линейная схема этого не умеет.
• Несколько шин питания на плате: преобразователи собираются каскадом от общей промежуточной шины.
• Питание ядра микроконтроллера или программируемой логики с током в единицы ампер.

Обвязка импульсного преобразователя

• Дроссель. Подбирается по индуктивности из расчёта пульсации тока 20–40 % от номинальной нагрузки и по току насыщения с запасом. Позиции — в разделе дросселей и катушек индуктивности.
• Входной конденсатор. Принимает импульсный ток ключа; ставится максимально близко к выводам микросхемы. Обычно это керамика с запасом по напряжению не меньше двукратного.
• Выходной конденсатор. Определяет пульсации напряжения и реакцию на скачок нагрузки. Подбирается из раздела керамических конденсаторов с учётом падения ёмкости под напряжением смещения.
• Диод или синхронный ключ. В несинхронных схемах ставится диод Шоттки, в синхронных его роль выполняет второй транзистор внутри микросхемы — это повышает коэффициент полезного действия.
• Цепь обратной связи. Делитель задаёт выходное напряжение; его проводник разводится вдали от силового контура, иначе помеха попадает в петлю регулирования.
• Разводка. Площадь силового контура — вход, ключ, дроссель, выход, земля — делается минимальной. От этого зависит и уровень помех, и устойчивость работы.

Что прислать для подбора

• Входное напряжение с диапазоном изменения и выходные напряжения всех шин платы.
• Ток по каждой шине в рабочем режиме и в пике.
• Допустимые пульсации, особенно для аналоговых и радиочастотных узлов.
• Температура среды и способ отвода тепла — корпус, радиатор, обдув.
• Источник питания: сеть, батарея, бортовая сеть техники.
• Ограничения по площади платы и высоте компонентов.

Частые вопросы

Можно ли поставить линейный стабилизатор на 5 В при входе 24 В? Технически можно, но при токе 0,3 А он рассеет около 5,7 Вт — потребуется радиатор, и корпус изделия будет греться. В такой схеме применяется импульсный преобразователь.

Насколько сильно импульсный преобразователь мешает аналоговой части? Уровень помех зависит от разводки и обвязки больше, чем от самой микросхемы. Если требования к тракту высоки, применяется постстабилизация линейным стабилизатором, отдельные земляные полигоны и ферритовые фильтры по питанию.

Что важнее при выборе дросселя — индуктивность или ток насыщения? Оба параметра, но ток насыщения проверяется первым: при его превышении индуктивность резко падает, ток через ключ растёт, и микросхема выходит из строя. Индуктивность задаёт лишь величину пульсации.

Почему реальная ёмкость керамического конденсатора ниже номинала? У конденсаторов с диэлектриками класса II ёмкость падает под приложенным напряжением — на половину и более. В цепи питания это учитывается выбором конденсатора с запасом по напряжению.

Стоит ли брать готовый модуль питания вместо микросхемы с обвязкой? Модуль экономит время разработки и место на плате, но стоит дороже и ограничивает выбор параметров. При серийном выпуске обычно выгоднее микросхема с подобранной обвязкой.

Что мы делаем

Подбираем микросхему стабилизатора под ваши шины питания с проверкой по нагреву и коэффициенту полезного действия, комплектуем обвязку — дроссели, конденсаторы, диоды и элементы обратной связи, предлагаем аналоги снятым с производства позициям и проверяем наличие компонентов в нужных корпусах на весь тираж. Поставляем электронные компоненты из Китая с проверкой партии при приёмке.

Пришлите напряжения и токи по шинам платы и условия эксплуатации на micro@tkasiatorg.ru — подберём стабилизаторы, посчитаем обвязку и дадим спецификацию с ценами и сроками поставки.