Советы при выборе высокочастотного импульсного регулятора

С 1980-х годов переключающие регуляторы стали популярными для устройств с питанием от батарей из-за присущей им более высокой эффективности по сравнению с линейными регуляторами. Этот атрибут позволяет батареям работать дольше, а цепи остаются менее загруженными.
Со временем производители увеличили частоту, с которой регулятор переключается с нескольких сотен килогерц до трех или четырех мегагерц. Основное преимущество работы на более высокой частоте заключается в том, что она позволяет использовать более мелкие внешние компоненты, такие как катушки индуктивности и конденсаторы, экономя место на плате и стоимость компонентов. 
К сожалению, высокочастотные устройства менее эффективны, чем их медленнее переключающиеся аналоги, что вынуждает инженеров идти на компромисс между размерами и ценовыми преимуществами в сравнении с более коротким временем автономной работы. Тем не менее, новое поколение высокочастотных регуляторов напряжения использует преимущества современных технологических процессов для повышения производительности.

Переключатель для эффективности

Линейные регуляторы - это простые и эффективные устройства для регулирования напряжения аккумулятора до уровня, требуемого чувствительным кремнием. Однако они страдают от двух ключевых недостатков. Во-первых, эффективность снижается с увеличением разницы между входным и выходным напряжением. Во-вторых, линейные регуляторы могут только понижать («понижать»), а не повышать («повышать») или инвертировать напряжение. Эта неспособность повысить напряжение может оставить неиспользованный потенциал в батареях, когда устройство больше не может быть включено (см. Статью TechZone «Понимание преимуществ и недостатков линейных регуляторов»).
Эти недостатки привели к росту популярности переключающих регуляторов. Войдя в основной поток в 1980-х годах, переключающие регуляторы используют широтно-импульсный (ШИМ) переключающий элемент, содержащий один или два металлооксидных полупроводниковых полевых транзистора (МОП-транзистора) в паре с одним или двумя индукторами и конденсаторами для накопления и фильтрации энергии.
Когда транзистор включен и проводит ток, падение напряжения на его пути питания минимально. Когда транзистор выключен и блокирует высокое напряжение, ток практически не проходит через его путь питания. Следовательно, транзистор близок к идеальному переключателю, а рассеиваемая мощность сведена к минимуму.
Высокая эффективность, низкое рассеивание мощности и высокая плотность мощности (из-за их небольшого размера) являются основными причинами, по которым разработчики используют импульсные регуляторы вместо линейных регуляторов, особенно в приложениях с большим током. Кроме того, переключающие регуляторы могут повышать, понижать и инвертировать напряжения. Многие производители предлагают широкий ассортимент модульных микросхем, которые объединяют основные элементы переключающего регулятора в единое устройство, которое является компактным, надежным и простым в разработке.
КПД такого устройства (выходная мощность / входная мощность х 100) обычно превышает 80 процентов и может достигать 95 процентов. Потраченная энергия обычно рассеивается в виде тепла.
Хотя рабочая частота определяет количество циклов переключения в единицу времени, именно рабочий цикл (D) сигнала ШИМ определяет процент времени, в течение которого переключающий элемент проводит, и, следовательно, в свою очередь, выходное напряжение (VOUT) из формулы VOUT = D x VIN. Рабочая частота, однако, существенно влияет на конструкцию и характеристики регулятора.
Для удовлетворения различных применений производители поставляют переключающие регуляторы, работающие в диапазоне частот от 100 кГц до 4 МГц. Например, на низкочастотной стороне линейная технология поставляет LT1574. Это токовый импульсный регулятор 200 кГц, рассчитанный на напряжение от 9 до 5 В, от 5 до 3,3 В и инвертирующий режим, который, по словам компании, полезен для чувствительных к шуму продуктов.
На верхнем уровне диапазона компании находится LTC3601. Микросхема представляет собой импульсный стабилизатор тока, способный выдавать до 1,5 А выходного тока. Диапазон рабочего напряжения питания составляет от 4 до 15 В, а рабочая частота программируется до 4 МГц, что, по словам компании, позволяет использовать небольшие индукторы поверхностного монтажа.