Журнал "Новости Электроники", номер 3, 2008 годОдноканальные LDO-стабилизаторы малой мощности компании Texas Instruments
Константин СтароверовLDO-стабилизаторы широко применяются в оконечных каскадах электропитания маломощных аналоговых и аналогово-цифровых устройств с батарейным питанием. Компания Texas Instruments производит самую широкую номенклатуру этих микросхем. В статье приведен обзор одноканальных LDO-стабилизаторов малой мощности.
Непрерывная конкуренция производителей цифровых, аналоговых и аналогово-цифровых интегральных схем (ИС) за снижение энергопотребления своей продукции делает чрезвычайно популярным сегмент одноканальных LDO-стабилизаторов малой мощности, которые способны работать с током нагрузки до 100 мА. Потребление даже 32-битных современных высокопроизводительных микроконтроллеров существенно меньше 100 мА. Например, микроконтроллеры AT32UC3 (Atmel), выполненные на основе ядра AVR32, потребляют ток 40 мА (66 МГц, 3,3 В) а микроконтроллеры из семейства STM32 (STMicroelectronics), выполненные на основе ядра Cortex M3 (ARM), работая на частоте 72 МГц, потребляют ток всего лишь 27 мА.
Выбор LDO-стабилизатора осуществляется по входному напряжению VIN, выходному напряжению VOUT, току нагрузки IOUT и рабочему температурному диапазону. В некоторых случаях могут предъявляться дополнительные требования к эффективности стабилизатора, уровню шума, разбросу выходного напряжения, размерам корпуса и др.
Выбор стабилизатора по входному напряжению осуществляется исходя из следующих соображений: максимальное паспортное входное напряжение стабилизатора должно быть выше максимального напряжения, которое может присутствовать на его входе. Минимальное же напряжение, при котором стабилизатор сохраняет способность нормально функционировать, определяется как сумма выходного напряжения VOUT и минимального перепада напряжения VDO. Таким образом, минимальное значение входного напряжения, которое приводится в справочных таблицах, не является обязательным требованием. Например, если сумма VOUT и VDO равна 2 В, а в справочной таблице приводится значение 1,8 В, то именно 2 В нужно принимать, как минимальное рабочее напряжение стабилизатора. Также имейте в виду, что величина VDO может зависеть от тока нагрузки и температуры, поэтому, пользуясь данными из документации, несложно найти точное значение VDO, а, следовательно, и минимальное VIN для заданных условий применения.
Выбор по выходному току и напряжению тривиален - достаточно, чтобы суммарный ток нагрузки был меньше максимального выходного тока IOUT стабилизатора, и выходное напряжение стабилизатора соответствовало требуемому значению (например, +1,8 В или +3,3 В). Если не удается найти стабилизатор на требуемое напряжение, используют регулируемый стабилизатор. У таких стабилизаторов имеется отдельный вывод FB, который связан с выходным напряжением через резистивный делитель напряжения. Подбором сопротивлений этих резисторов добиваются установки требуемого выходного напряжения.
В приложениях с батарейным питанием очень важно, чтобы стабилизатор обладал высокой эффективностью. Эффективность линейных стабилизаторов описывают не значением КПД, как у импульсных стабилизаторов, а величиной собственного потребляемого тока, которая обычно составляет несколько микроампер. При использовании регулируемых стабилизаторов нужно помнить, что внешний делитель напряжения также вносит дополнительный ток нагрузки, поэтому, в таких применениях нужно использовать высокоомные резисторы (0,5...1,5 МОм).
Поскольку работа линейного стабилизатора в некоторых случаях связана с рассеиванием достаточно большой мощности, то нужно проверить, до какой температуры может разогреться кристалл при наихудших условиях (максимальные перепад напряжения, ток нагрузки и окружающая температура). Для этого нужно воспользоваться выражением:
, (1)
где tJ - температура кристалла; tA(max) - максимальная температура окружающей среды; VIN(max) - максимальное входное напряжение; IOUT(max) - максимальный ток нагрузки; RqJA - тепловое сопротивление переход - окружающая среда, °С/Вт.
Величина RqJA приводится в документации и характеризует способность корпуса стабилизатора рассеивать тепло (с учетом теплорассеивающих свойств печатной платы, на которой он установлен). Если полученное по выражению (1) значение tJ меньше максимально-допустимой температуры перехода tJ(max) (а еще лучше, чтобы был запас 20...50%), то выбранный стабилизатор подходит для данных условий применения. В противном случае, нужно искать стабилизатор в корпусе с улучшенным теплорассеиванием или дополнительную возможность снижения рассеиваемой мощности.
Одноканальные LDO-стабилизаторы малой мощности компании Texas Instruments представлены четырьмя семействами: TPS797xx, TPS797xx-EP, TPS715xxx и TPS715Axx. В табл. 1 представлены основные технические характеристики стабилизаторов.
Таблица 1. Одноканальные LDO-стабилизаторы малой мощности компании Texas Instruments| Наименование | IOUT (max), мА | VDO (typ), мВ | IQ (typ), мкА | VIN, В | VOUT, В | COUT, мкФ | Выход «Power Good» | Темп. диапазон, °C | Корпус |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TPS79718 | 50 | 105 | 1,2 | 1,8...5,5 | 1,8±4% | ≥0,47 | Есть | -40...85 | 5SC70 |
| TPS79730 | 50 | 110 | 1,2 | 1,8...5,5 | 3±4% | Есть | -40...85 | 5SC70 | |
| TPS79733 | 50 | 105 | 1,2 | 1,8...5,5 | 3,3±4% | Есть | -40...85 | 5SC70 | |
| TPS79718-EP | 10 | 400 | 5 | 2...5,5 | 1,8±5% | Есть | -55...125 | 5SC70 | |
| TPS79730-EP | 10 | 400 | 5 | 1,8...5,5 | 3±4% | Есть | -55...125 | 5SC70 | |
| TPS79733-EP | 10 | 400 | 5 | 2...5,5 | 3,3±4% | Есть | -55...125 | 5SC70 | |
| TPS71501 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | Рег. 1,2...15 | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71518 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 1,8±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71519 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 1,9±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71523 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 2,3±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71525 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 2,5±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71530 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 3±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71530-Q1 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 3±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71533 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 3,3±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS715345 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 3,45±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS71550 | 50 | 415 | 3,2 | 2,5...24 | 5±4% | -40...125 | 5SC70 | ||
| TPS715A01 | 80 | 670 | 3,2 | 2,5...24 | Рег. 1,2...15 | -40...125 | 8SON | ||
| TPS715A33 | 80 | 670 | 3,2 | 2,5...24 | 3,3±4% | -40...125 | 6SON, 8SON |
Общей чертой всех стабилизаторов является высокая экономичность (собственное потребление менее 5 мкА), разброс выходного напряжения не более 4%, размещение в миниатюрных корпусах и способность работать с выходным конденсатором любого типа емкостью COUT ? 0,47 мкФ. Рассмотрим каждое семейство стабилизаторов в отдельности.
Семейство TPS797xx
В данное семейство входят три стабилизатора с фиксированным выходным напряжением 1,8 В, 3,0 В и 3,3 В. Малый минимальный перепад напряжения (<110 мВ) достигнут за счет применения p-канального МОП-транзистора в качестве проходного. Уровень собственного потребления равен 1,2 мкА (типичное значение) и сохраняется относительно постоянным в пределах всего диапазона нагружения (0...5 мА). Стабилизаторы совместимы со стандартной шиной питания +5 В, и поэтому на основе двух стабилизаторов возможно формирование двух разных напряжений питания микроконтроллера (например, напряжение питания ядра +1,8 В и напряжение питания портов ввода-вывода +3,3 В). Стабилизаторы оснащены выходом с открытым стоком PG, который активизируется (переходит из высокоимпедансного в низкое состояние), когда выходное напряжение становится менее 90% от номинального значения. Данный выход может использоваться для управления сбросом микроконтроллера или для сигнализации о полном разряде батарейного источника. (см. рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема и расположение выводов TPS797xx
Отличительные особенности:
- Рабочий температурный диапазон: -40...85°С
- Минимальный перепад напряжения менее 125 мВ (нагрузка 10 мА, температура 25°C)
- Сверхмалое собственное потребление: 1,2 мкА (нагрузка 10 мА, температура 25°C)
- Миниатюрный корпус
- Выход с открытым стоком «Power Good»
- Стабильность работы с выходным конденсатором любого типа (>0,47 мкФ)
- Функция ограничения выходного тока
На рисунке 2 показан пример использования стабилизатора TPS79718 для питания микроконтроллера семейства MSP430 напряжением 1,8 В. Выход PG управляет входом сброса микроконтроллера. Для формирования высокого уровня на линии сброса в схеме предусмотрен отдельный подтягивающий резистор.
Рис. 2. Использование TPS79718 для питания и управления сбросом микроконтроллера
MSP430
Семейство TPS797xx-EP
Данное семейство составляют версии предыдущих стабилизаторов для более жестких условий эксплуатации (-55...125°С), что ориентирует их на автомобильные и военные применения. Кроме того, данные стабилизаторы отличаются ограниченной нагрузочной способностью (10 мА), более высоким собственным потреблением (5 мкА) и максимальным значением минимального перепада напряжения 400 мВ. Однако, необходимо учитывать, что эти повышенные значения собственного потребления и перепада напряжения действительны для более широкого диапазона температур. При номинальных условиях (+25°С, 10 мА) эти характеристики у стабилизаторов обоих семейств идентичны. (см. рис. 3).
Рис. 3. Структурная схема и расположение выводов TPS797xx-EP
Отличительные особенности:
- Версии стабилизаторов TPS797xx повышенной надежности и для более жестких условий применения;
- Характеристики из табл. 1 действительны для температурного диапазона: -55...125°C.
Семейство TPS715xxx
Данные стабилизаторы идентичны по нагрузочной способности TPS797xx, но выпускаются в большем числе исполнений с фиксированными (1,8; 1,9; 2,3; 2,5; 3,0; 3,3 В) и регулируем выходными напряжениями, причем некоторые из исполнений специально разработаны для совместной работы с микроконтроллерами MSP430, в т.ч. исполнение с VOUT = 2,3 В и минимальным VIN = 2,2 В для питания флэш-памяти микроконтроллеров MSP430F2xx. (см. рис. 4).
Рис. 4. Структурная схема и расположение выводов TPS715xxx
Отличительные особенности:
- Рабочий температурный диапазон: -40...125°С;
- Максимальное входное напряжение 24 В;
- Малое собственное потребление: 3,2 мкА (при IOUT = 50 мА);
- Стабильность работы с выходным конденсатором любого типа (>0,47 мкФ);
- Рекомендуется для питания микроконтроллеров семейства MSP430;
- Миниатюрный корпус.
Выхоное напряжение регулируемого стабилизатора зависит от соотношения резисторов внешнего делителя напряжения (R1, R2):
, (2)
где VREF - напряжение внутреннего источника опорного напряжения (ИОН); VREF = 1,205 В.
Схема включения регулируемого стабилизатора показана на рис. 5.
Рис. 5. Схема включения регулируемого стабилизатора TPS71501
Для применений, критичных к уровню собственного потребления стабилизатора, сопротивления резисторов R1, R2 должны быть достаточно большими. Показанные на рис. 5 сопротивления резисторов для некоторых стандартных выходных напряжений обеспечивают увеличение собственного потребления на величину не более 1,5 мкА. Необходимо учитывать, что использование таких больших сопротивлений приводит к увеличению шума в выходном напряжении. Таким образом, если более важно добиться малого уровня выходного шума, чем сверхмалого собственного потребления, нужно использовать более низкие сопротивления.
Все рассмотренные до этого момента стабилизаторы поставляются в миниатюрном 5-выводном корпусе SC70. Данный корпус занимает на плате площадь не более 5 мм2.
Семейство TPS715Axx
В данное семейство входят два стабилизатора: регулируемый и нерегулируемый (3,3 В). По сути, они представляют собой исполнения соответствующих стабилизаторов из предыдущего семейства, обладающих более высокой нагрузочной способностью (до 80 мА). При максимальном токе нагрузки они обладают и более высоким минимальным перепадом напряжения, чем их менее мощные аналоги (см. рис. 6). Для улучшения характеристик теплорассеивания данные стабилизаторы размещаются в корпусах SON с более низким тепловым сопротивлением.
Рис. 6. Структурная схема и расположение выводов TPS715Axx
Отличительные особенности:
- Аналоги нерегулируемого (3,3 В) и регулируемого стабилизаторов семейства TPS715xx, но с повышенной до 80 мА нагрузочной способностью;
- Собственный потребляемый ток 3,2 мкА при токе нагрузке 80 мА;
- Миниатюрные корпуса с улучшенным теплорассеиванием.
Выводы
- Texas Instruments выпускает широкий ассортимент одноканальных LDO-стабилизаторов малой мощности, удовлетворяющих требованиям портативных применений и применений с батарейным питанием;
- в ассортименте LDO-стабилизаторов присутствуют стабилизаторы, специально разработанные для питания микроконтроллеров MSP430 и подобных им микроконтроллеров; доступность исполнений с широким выбором фиксированных выходных напряжений позволяет оптимизировать уровень энергопотребления микроконтроллера, работающего на заданной тактовой частоте; совместимость стабилизаторов по посадочному месту и расположению выводов позволяет осуществить эту задачу без изменения разводки печатной платы;
- все рассмотренные LDO-стабилизаторы характеризуются настолько малым собственным потреблением, что нет необходимости в реализации функции включения/выключения через отдельный вывод EN;
- доступны LDO-стабилизаторы с выходом PG, который может использоваться для управления линией сброса микроконтроллера или сигнализации полного разряда элемента питания, и для жестких условий применения (по тепловым режимам).
Литература
1. Power Management Selection Guide/Texas Instruments, lit. num. SLVT145G, 2Q 2007, 76 p.
2. Документация на стабилизаторы напряжения, доступная на сайте производителя: http://www.power.ti.com/ .
| Ваш комментарий к статье | ||||
