Se základním provedením 3vývodového lineárního stabilizátoru se ve svých návrzích setkáváme již více než třicet let, přičemž jeho elementární struktura za celou dlouhou dobu nedoznala žádné výraznější změny, takže i nadále využívá pevné napěťové reference spolu s odporovým děličem, zvyšujícím výstupní napětí na požadovanou úroveň. Jedná se o jednoduše použitelné prvky a odtud také pramení jejich oblíbenost. Přesto jde s jejich prostou architekturou ruku v ruce několik omezení.

 

Jednou ze slabin zmiňovaného řešení tradičního lineárního stabilizátoru se stává omezení minimálního výstupního napětí referenčním napětím regulátoru. Další nevýhoda spočívá v tom, že nelze jednoduše navyšovat dostupnou velikost výstupního proudu, příp. rozložit ztrátový výkon (Power Dissipation) z titulu paralelního řazení jednotlivých prvků. Aby bylo možné přerozdělit zatížení mezi větší počet stabilizátorů, bude potřeba přidat buď velké zatěžovací rezistory, které však ve spojení se zátěží zapříčiní regulační odchylky, nebo vyrovnávat zátěž s využitím komplikovaných zapojení vstupních snímacích rezistorů a smyček operačních zesilovačů, což však nevyhnutelně znehodnocuje původní příslib rychlého nasazení údajně jednoduchého lineárního stabilizátoru.

 

 

A co v případě, kdy vyřadíme napěťovou referenci a nahradíme ji přesným proudovým zdrojem? Výsledný obvod i tak stále zůstane zdánlivě jednoduchým řešením, přesně jak je vidíme na blokovém diagramu z obr. 1. Precizní proudový zdroj se zde připojí k neinvertujícímu vstupu operačního zesilovače, zatímco jeho výstup budí velký průchozí element typu NPN, zpětně zapojený na invertující vstup k dosažení jednotkového zesílení. Tato malá změna jinak „ctihodného“ lineárního stabilizátoru následně umožňuje výrazně profitovat v otázce univerzálnosti a také dosahovaných parametrů.

 

Vzájemné propojení každého z pinů SET při paralelním řazení regulátorů umožňuje díky této nové architekruře získat společný referenční bod všech zesilovačů odchylky (Error Amplifier), takže již můžeme se zátěží o velikosti pouhých miliohmů vyrovnávat jakékoli změny offsetu mezi jednotlivými součástkami. Rozprostření ztrátového výkonu mezi tolik součástek, kolik jen budeme potřebovat, se tak najednou zjednodušuje a to samé platí i pro škálování výstupního proudu přesně dle konkrétních požadavků. Krása celé architektury spočívá ve skutečnosti, že jediným rezistorem vytvoříme referenční bod pro všechny zúčastněné regulátory, ať jich již budeme mít jeden, deset nebo celou stovku! A co více, architektura staví rovnítko mezi nulový odpor a nulový výstup, tzn. zbavili jsme se dalšího pevného referenčního napětí, limitujícího dolní mez využitelného rozsahu výstupního napětí.

 

Lineární 1,1 A stabilizátor LT3080 se stal první „vlaštovkou“ svého druhu, využívající architektury precizního proudového zdroje a umožňující tak na základě povrchové montáže realizovat napájecí zdroje s vysokými zatěžovacími proudy z titulu paralelního řazení jakéhokoli počtu obvodů LT3080. Jeho následovník, integrovaný obvod LT3083, kráčí ve stejných šlépějích a s obdobnými technickými parametry, jen k tomu přidává potenciál zatížitelnosti výstupním proudem 3 A. Zároveň přitom nabízí nejednu výhodu.

 

Zisk a také šířka pásma se v případě klasických lineárních stabilizátorů mění spolu se změnou výstupního napětí – odporového děliče. Blokování (Bypassing) zpětnovazebního pinu regulátoru přitom ovlivňuje odezvu ve smyčce. Regulace změn na zátěži (Load Regulation) navíc není reprezentována pevnou hodnotou, ale pevným procentním podílem výstupu s tím, jak odporový dělič „nabírá“ každou odchylku napětí. Stejný odporový dělič k tomu všemu bývá postižen šumem a rušením referenčního napětí.

 

Zmíněné nevýhody pomáhá eliminovat proudový zdroj spolu s bufferem, vykazujícím jednotkové zesílení. Vzhledem k tomu, že zesilovač odchylky pokaždé vykáže jednotkový zisk, nebude docházet ke změně kmitočtové odezvy jako funkce výstupního napětí či na základě blokování referenčního bodu. Regulaci na zátěži tak nyní popíšeme pevnou hodnotou a to bez ohledu na výstupní napětí. Protože tedy blokování neovlivní odezvu ve smyčce, můžeme vyřadit ze hry dva zdroje rušení: Proudový šum referenčního zdroje spolu s výstřelovým šumem rezistoru budou „utišeny“ jediným kondenzátorem. Na výstupu zůstává jen šum zesilovače odchylky, opět však na fixní úrovni a bez ohledu na výstupní napětí.

 

Stejnosměrné DC charakteristiky obvodu LT3083 jsou stejné jako v případě původního LT3080. LT3083 odděluje kolektor průchozí struktury NPN s ohledem na minimalizaci výkonové ztráty. Regulace změn na zátěži (Load Regulation) se pro zesilovač odchylky obvykle pohybuje pod 1 mV a na referenčním proudu 50 μA je prakticky neměřitelná. V případě druhého parametru, zohledňujícího stabilitu výstupu při změně vstupních podmínek (Line Regulation), pak u referenčního proudu hovoříme o méně než 0,0002 %/V a typ. 2 μV/V pro offset zesilovače odchylky. Jako vynikající se jeví i teplotní charakteristiky referenčního proudu, které zpravidla zůstávají v mezích 0,2 % napříč plným pracovním rozsahem teplot přechodu, přesně jak to vidíme na obr. 2.

 

 

LT3083 rovněž nabídne veškeré podpůrné prvky, kterými jsou obvody Linear Technology běžně známé: Proudové omezení s bezpečnostní ochranou pracovní oblasti, kterou chrání strukturu před zničením v případě zkratu, nebo teplotní pojistku, udržující součástku v bezpečných mezích během nadměrného výkonového zatížení.

 

Nemyslete si, že střídavé AC charakteristiky obvodu LTC3083 padly za oběť ve snaze dosáhnout špičkových stejnosměrných parametrů! Přechodová odezva se jeví jako vynikající i s tak malým výstupním kondenzátorem, jako je 10 μF. Nechceme – li zbytečně navyšovat ESR, zvolíme malé keramické kapacity. Funkci měkkého startu zase vyřešíme zapojením blokovacího kondenzátoru k referenčnímu rezistoru – výstupní napětí pak bude sledovat časovou konstantu RC členu, vytvořeného z rezistoru SET a blokovací kapacity. Na velikosti šumového pozadí se rovněž příznivě podepisuje paralelní řazení jednotlivých obvodů. Paralelním řazením většího počtu stabilizátorů LT3083 totiž snižujeme výstupní šum a to stejným způsobem, jako v případě paralelního spojení n operačních zesilovačů, snižujících šum – jedná se o faktor √n.

Integrovaný obvod LT3083 „fikaně“ zjednodušuje celkovou architekturu, zatímco jeho špičkové parametry z něj činí významný stavební prvek pro aplikace, pohybující se dokonce až za hranicí využitelnosti běžných lineárních stabilizátorů. Lze jej jednoduše paralelně řadit a navýšit tak velikost výstupního proudu, příp. rozprostřít tepelné zatížení čipů. Jako naprosto přijatelné se jeví i aktivní buzení pinu SET: Malý offset spolu s velkými výstupními proudy umožňují vysoce přesné referenční služby i na vysokých úrovních výkonu. Číslicově řízeného napájení zase docílíme vhodným buzením pinu SET s využitím D/A převodníku. Přesné proudové zdroje zde vznikají, aniž by přitom byly zatíženy nebývalou náročností. Přesto zde existuje jedno omezení, a tím je kreativita vývojáře.

 

Na obr. 3 vidíme, jak paralelně zapojit více obvodů LT3083 a navýšit tak velikost výstupního proudu, zatímco ještě dochází k přerozdělení tepelných ztrát. Zároveň si prosím povšimněte minimální zátěže, nezbytné k vyrovnání zatížení mezi regulátory. Můžeme tak jednoduše realizovat nezarušené a ještě k tomu přesné napájecí zdroje pro povrchovou montáž s vysokou proudovou zatížitelností – stačí jen přidat „více“ LT3083. Výkonová ztráta se rozprostře rovnoměrně přes paralelně spojené prvky, nicméně stále se neobejdeme bez teplotního řízení (managementu). Uvážíme – li malý úbytek na stabilizátoru o velikosti 0,5 V, dostáváme při proudovém odběru 3 A ztrátu 1,5 W, směřující všechny možnosti směrem k povrchové montáži.

 

 

Návrh referenčního bufferu s vyšší proudovou zatížitelností si žádá velmi malého úsilí – vidíme to ostatně na obr. 4. V tomto zapojení totiž připojíme výstup přesného referenčního obvodu LT1019-5 k „odtoku“ referenčního proudu 50 μA z našeho regulátoru. Použitá reference nabídne spolu s teplotou přesnost 0,2 %, resp. toleranci 10 mV. S maximálním napěťovým offsetem 4 mV obvodu LT3083 tak výstupní přesnost zůstává v mezích 0,3 %. Přesnost referenčního proudu LT3083 ve věci výstupní tolerance nehraje roli a nemáme zde ani žádné rezistory, které by mohly případně vnášet přídavné změny – tolerance.

 

 

Digitální nastavení výstupního napětí prostě a jen znamená přidání D/A převodníku, který bude budit pin SET. Na obr. 5 vidíme, jak DAC ovládá výstup LT3083, který se pak v mezích 1,5 LSB pohybuje kdekoli od nuly až do více než 16 V. V tomto zapojení pak LTC2641-12, využívající referenci 4,096 V, „pohání“ pin SET u obvodu LT3083 skrze LT1991 v konfiguraci zesílení, rovného čtyřem. Nekompromisní specifikace LT3083 opět umožní dosáhnout vynikajících výsledků. Musíme si však uvědomit, že bude potřeba naplnit požadavek na minimální zatěžovací proud, když také pracujeme s minimálními výstupními napětími. Budeme – li pracovat s malým vstupním napětím, bude následně vyžadováno zatížení méně než 500 μA – naštěstí však mnohem méně než v případě klasických lineárních stabilizátorů, které si klidně „řeknou“ o 5 – 10 mA.

 

 

Implementace proudových zdrojů nemusí být v některých případech zrovna jednoduchá. Některé potřebujeme přizemnit, jiné zase vztahujeme ke kladnému napájení, zatímco ty nejnáročnější návrhy si žádají plovoucí 2vývodové součásti. LT3083 lze jednoduše nakonfigurovat jako 2vývodový proudový zdroj, kdy prostě jen nastavíme poměr vnějších rezistorů a přidáme kompenzaci – viz obr. 6. Vzniklý zdroj proudu tak lze vztáhnout vůči zemi, kladnému napájení nebo jej nechat jen tak a bez obav naprosto plavat.

 

 

Za jednoduchou architekturou, zachycenou na blokovém diagramu obvodu LT3083, se skrývá špičkové, univerzální a zároveň i průkopnické řešení jedné ze základních obvodových součástí. Integrovaný obvod LT3083 v porovnání se svým předchůdcem, LT3080, slučuje výraznou architektonickou změnu k lepšímu, skvělé střídavé a také stejnosměrné charakteristiky a také možnosti vyššího proudového zatížení, čímž naprosto jednoduchým způsobem řeší problémy, které se ve světle klasických 3vývodových či nízkoúbytkových stabilizátorů jevily jako obtížně řešitelné. Lze jej použít v napájecích zdrojích, „čistokrevně“ pracujících již od nulového napětí, paralelně pospojovaných s ohledem na vyšší proudové odběry či přerozdělování tepla, nebo také dynamicky řízených. Vysokoproudé lineární napájecí zdroje jsou tak nyní dostupné i pro povrchovou montáž, aniž by přitom jakkoli utrpěly zaručované parametry.

 

 

[1] http://cds.linear.com/docs/LT%20Journal/LTJournal-V21N3-2011-10.pdf

[2] http://cds.linear.com/docs/Solutions%20Manual/LDO%20Brochure%20%28Final_Web%20Version%29.pdf