Линейные регуляторы напряжения компании STMicroelectronics

В статье рассматривается номенклатура линейных регуляторов, предлагаемых компанией STMicroelectronics, а именно: стандартные регуляторы, регуляторы с малым и очень малым зна-чением падения напряжения на регулирующем элементе. Кроме того, рассматриваются линейные регуляторы, предназначенные для управления мощными светодиодами.

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.

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.

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).

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.

Таблица 1. Номенклатура и характеристики LDO-регуляторов компании STMicroelectronics

Падение напряжения, В

Макс. входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

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.

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

Падение напряжения, В

Макс. входное напряжение, В

Выходное напряжение, В

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