Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikumikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/2017/10/Literatu...Za sve regulatore karakteristican jeˇ minimalni pad napona na re-gulatoru

Linearni izvori napajanjaLinearni naponski regulatoriElektro–termalna analogija

Analogna mikroelektronika

Z. Prijic

Elektronski fakultet NišKatedra za mikroelektroniku

Predavanja 2018.

Z. Prijic Analogna mikroelektronika


Sadržaj

1 Linearni izvori napajanja

2 Linearni naponski regulatori

3 Elektro–termalna analogija



Deo 1

Linearni izvori napajanja



Izvori jednosmernog naponaBlok šema izvora napajanja

Zadatak izvora napajanja je da naizmenicni napon iz mreže pre-tvori u jednosmerni, svodeci pri tome njegovu amplitudu na že-ljeni nivo, kao i da takav jednosmerni napon ucini dovoljno sta-bilnim u smislu imunosti na varijacije mrežnog napona i šumove.

Rezervoar(filtar)



Podela izvora napajanja

linearniprekidacki (engl. switch)

Kod linearnih izvora napajanja se, u opštem slucaju, ulazni na-pon vrednosti VIN transformiše u izlazni napon vrednosti VOUT

na principu promenljive provodnosti elementa koji se nalazi iz-medu ulaza i izlaza, pri cemu je VOUT < VIN . Taj element jestandardno tranzistor, bipolarni ili MOS.



Linearni izvori napajanjaIspravljacki blok



Linearni izvori napajanjaUlazni mrežni napon



Linearni izvori napajanjaNapon na sekundaru



Linearni izvori napajanjaIspravljeni naizmenicni napon - na izlazu Grecovog spoja

Ucestanost je sada 100Hz. Amplituda je umanjena za približno 1,4V (pad napona nadve diode unutar Grecovog spoja).



Linearni izvori napajanjaRezervoar (filtar)

Kondenzator C1 je rezervoar (reservoir capacitor, smoothing ca-pacitor ), a naziva se i ulazni filtarski kondenzator.



Linearni izvori napajanjaFiltrirani napon

Vr – ripple voltage



Linearni izvori napajanjaNaponski regulator (VC ≡ VIN )

Naponski regulator je kolo koje na izlazu daje stabilisani napon.

input outputREGULATOR

Ci Co

VIN VOUT



Linearni izvori napajanjaIspravljac i naponski regulator

+

~

~

vin

T1

RL

U1vout

+C1 C

2 C3

+

VOUTU2

F1



Linearni izvori napajanjaStabilisani izlazni napon

VO

UT (

V)



Deo 2

Linearni naponski regulatori



Linearni izvori napajanjaParametri naponskog regulatora

Osnovni parametri su linijska regulacija i regulacija opterecenja:

Line regulation (%) =

(∆VOUT

∆VIN

)· 100% (1)

Load regulation (%) =

(VNL − VFL

VFL

)· 100% (2)

NL – bez opterecenja (no load);FL – pod punim opterecenjem (full load). Alternativno,

Load regulation (%/A) =∆VOUT /VOUT

∆IOUT· 100% . (3)



Linearni izvori napajanjaVrste naponskih regulatora

Naponski regulatori se mogu podeliti na:regulatore sa fiksnim izlaznim naponomregulatore sa podesivim (adjustable) izlaznim naponom

Za sve regulatore karakteristican je minimalni pad napona na re-gulatoru za koji se garantuje stabilna vrednost izlaznog napona(dropout voltage).

Primer: Regulator LM7805 ima na izlazu fiksni napon 5V, a mi-nimalni pad napona je 2V. To znaci da napon na ulazu regula-tora mora biti najmanje 7V, da bi regulator radio stabilno.



Linearni izvori napajanjaPrimer regulatora sa fiksnim izlaznim naponom

IN3

2

OUT 1

GND

U2 LP2950ACZ-5

0.1uFC1 33uF/10V

C2

220uF/10VC3

0.1uFC4

V_OUTV_IN

Izlazni napon regulatora je fiksan VOUT = 5V. Prema specifi-kaciji proizvodaca, maksimalna dozvoljena struja kroz regulatorje 100mA. C1 i C4 su bypass kondenzatori i služe za eliminacijuneželjenih signala visokih ucestanosti. C4 se postavlja blizu kolakoje se napaja iz regulatora.



Linearni izvori napajanjaRegulatori sa podesivim izlaznim naponom

RL

VIN

+C1 C

2

C3

+

VOUT

U2

R1

R2

OUT

ADJ

IN



Linearni izvori napajanjaPodešavanje izlaznog napona

Regulator je projektovan tako tako da se izmedu izlaza OUT iADJ , odnosno na otpornikuR1, uvek pojavljuje referentni naponVREF . Izlazni napon je odreden relacijom:

VOUT = VREF

(1 +

R2

R1

)(4)

Tipicno, VREF = 1,25V i predstavlja temperaturno nezavisnunaponsku referencu (bandgap voltage reference).



Linearni izvori napajanjaPrimer projektovanja regulatora sa podesivim izlaznim naponom

Kriterijumi izbora komponenata:

1 Tehnicki kriterijumiIspunjavanje osnovnih elektricnih zahteva u pogledunapona, struje, snage, itd.Postojanje komponente i u SMD i u ‚‚through–hole“ varijanti(zbog lakše izrade prototipa)Postojanje ekvivalenta drugog proizvodaca

2 Ekonomski kriterijumiPristupacna cenaRaspoloživost na domacem tržištuPotrebno vreme nabavke, u slucaju da komponente nemana lagerima dobavljaca



Linearni izvori napajanjaTehnicki zahtevi

Projektuje se sistem u kome prosecna potrošnja struje ne prelazi300mA, a u pikovima trajanja 500µs može dostici 1,2A. Jedno-smerni napon potreban sistemu iznosi 7,5V. Neka je na raspo-laganju AC/DC pretvarac (ispravljac) ciji je DC izlaz 12V 1,5A.Treba projektovati laboratorijski prototip DC/DC pretvaraca, po-mocu koga ce moci da se napaja sistem tokom razvoja.



Linearni izvori napajanjaIzbor regulatora

Izabran je pretvarac LM317, kog proizvodi veci broj proizvodaca.Za izradu prototipa izabrana je varijanta LM317T, u kucištu TO-220. Uvidom u tehnicku specifikaciju se može uociti:

TO−220T3SUFFIX

CASE3221AB

Pin 1. Adjust2. Vout

3. Vin

Heatsink surface connected to Pin 2.

3

12

parametar vrednostmaksimalni ulazni napon 40Vmaksimalna struja 1,5Apodesiv napon na izlazu 1,2V-37Vminimalni pad napona 3V



Linearni izvori napajanjaIzbor otpornika

Pošto je VIN − VOUT = 12 − 7, 5 = 4,5V, to je pad napona naregulatoru veci od minimalnog pada napona (3V) i regulator ceraditi stabilno.

Referentni dizajn proizvodaca1 preporucuje R1 = 240Ω. Ovo jestandardna vrednost otpornosti otpornika sa 1% tolerancije. Kodregulatora se za podešavanje izlaznog napona koriste otpornicisa 1% tolerancije. Iz (4) je:

R2 = R1

(VOUT

VREF− 1

)= 240

(7, 5

1, 25− 1

)= 1,2 kΩ .

Izracunata vrednost je takode standardna vrednost otpornostiotpornika sa 1% tolerancije.

1Videti, npr. http://onsemi.com→ Search "LM317"→ Datasheet.Z. Prijic Analogna mikroelektronika


Linearni izvori napajanjaIzbor kondenzatora

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317T

V_IN V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/16V

C3

1k2 1%R2

220u/25V

C1

C2 je keramicki kondenzator (bypass), dok su C1 i C3 elektrolitskikondenzatori (obratiti pažnju na naponski rejting). Proizvodacipreporucuju minimalne vrednosti, a u praksi je bolje, ako to pro-stor dopušta, imati vece vrednosti kapacitivnosti kondenzatoraC1 i C3.



Linearni izvori napajanjaZaštita od suprotne polarizacije na ulazu

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317T

V_IN V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/16V

C3

1k2 1%R2

220u/25V

C1

D1

1N4007

Potencijalni nedostatak: napon na ulazu regulatora je manji odnapona VIN za pad napona na diodi VD1 = 0,7V. Umesto diode,može se koristiti pnp tranzistor u zasicenju. Takode, mogu sekoristiti LDO (Low DropOut) regulatori.



Linearni izvori napajanjaFleksibilnije rešenje

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317T

V_IN V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/16V

C3

220u/25V

C1

D1

1N4007

2k

R2Trim

R2 je višeobrtni trimer. Prilikom podešavanja, treba obratiti pa-žnju da vrednost otpornosti ne bude previše mala ili velika.



Linearni izvori napajanjaSa transformatorom i ispravljacem

IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317TV_IN

V_OUT

240Rr1%R1

100nC2

100u/25V

C3

2k7r1%R2

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

T1F1

D1

1N4002

Kondenzator C1 treba da bude vece kapacitivnosti, kako bi kom-penzovao kratkotrajne propade i eventualne prekide mrežnognapajanja.




Transformator se bira tako da mu je efektivna (rms) vrednost na-pona na sekundaru približno jednaka željenoj vrednosti naponaVOUT . Pored toga, mora imati i dovoljnu snagu2, kako bi davaoodgovarajucu struju. Osigurac u primaru štiti korisnika i okolinuod kratkog spoja na ulazu transformatora. Osigurac u sekundaruštiti transformator, koji je najskuplji deo izvora. Osiguraci se di-menzionišu prema strujama transformatora, a moraju biti tromi(slow–blow, time–delay ), kako ne bi pregorevali usled eventu-alne pojave pocetne udarne struje (inrush current). U slucajuda su kucište ili šasija uredaja metalni, uzemljenje je obavezno!

2Kod transformatora je važan pojam i prividna snaga (apparent power)!Z. Prijic Analogna mikroelektronika



IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317TV_IN

V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/25V

C3

2k7 1%R2

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

T1F1

D1

1N4002

10u/25V

C5

D21N4002

Dioda D1 sprecava pojavu inverznog napona na regulatoru: akona ulazu regulatora dode do kratkog spoja, izlazni kondenzatorC3 ce se prazniti preko diode D1, a ne kroz regulator.




IN3

1

OUT2

ADJ

U1 LM317TV_IN

V_OUT

240R 1%R1

100nC2

100u/25V

C3

2k7 1%R2

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

T1F1

D1

1N4002

10u/25V

C5

D21N4002

Kondenzator C5 uklanja ripple, kao i šumove, a dioda D2 spre-cava njegovo pražnjenje preko regulatora.



Linearni izvori napajanjaProcena vrednosti ulaznog filtarskog kondenzatora

Primer: napon na sekundaru transformatora Vsec = 15V (efek-tivna vrednost), struja koju povlaci opterecenje IL = 0,5A.

Amplituda napona na sekundaru je:

VSEC = Vsec ·√

2 = 15 · 1, 41 = 21,15V .

Na izlazu iz Grecovog spoja je amplituda napona VSEC − 1, 4 =19, 75 ' 20V. Napon Vr (ripple) ne bi trebao, u prvoj aproksima-ciji, da bude veci od 5% ove vrednosti:

Vr = 20 · 0, 05 = 1V .



Linearni izvori napajanjaProcena vrednosti ulaznog filtarskog kondenzatora

Ucestanost ispravljenog signala je 100Hz, pa je perioda T = 10ms.Prva aproksimacija3:

C1 ≈ILT

Vr=

0, 5 · 10× 10−3

1= 5000µF ,

pa se može uzeti manja standardna vrednost 4700 µF. Za finije pode-šavanje se može proceniti da se kondenzator unutar periode T puni2ms do 3ms, a prazni 8ms do 7ms. Racuna se samo vreme pražnje-nja:

C1 ≈0, 5 · 7× 10−3

1= 3500µF ,

pa se može uzeti 3600µF ili 3300µF (Vr ce biti nešto veci).

3iC = C(dvC/dt)



Linearni izvori napajanjaIzvor simetricnog napajanja

IN3

1

OUT 2

ADJ

U1 LM317T

V_OUT

100R 1-R1

100nC2

100u/25V

C3

1k31-R2

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

F1 T1

2×18V_rms

IN2 OUT 3

1

ADJ

U2LM337T

4700u/35V

C4

100nC5

100R 1-R3

1k31-R4

100u/25V

C6

-V_OUT

F3

0V

Koristi se transformator sa dva sekundara, koji su povezani ucenter–tapped konfiguraciju. LM337 je negativni naponski re-gulator. Obratiti pažnju na polarizaciju kondenzatora C4 i C6!



Linearni izvori napajanjaIzvor simetricnog napajanja sa regulatorima sa fiksnim izlaznim naponom

V_OUT

100nC2

100u/25V

C3

4700u/35V

C1

BR1

F2

50Hz230V_rms

F1 T1

2×15DV_rms

4700u/35V

C4

100nC5

100u/25V

C6

-V_OUT

F3

0DV

IN3

OUT1

2

GND

U1 LM7815

IN2

OUT3

1

GND

U2 LM7915

D1

1N4002

D3

1N4002

D21N4002

D41N4002



Linearni izvori napajanjaIzlazne zaštitne diode

Skriveni problem:

Ako, na primer, LM7815 ne startuje istovremeno kad i LM7915može se dogoditi da izlaz VOUT bude „povucen“ na negativnuvrednost (u zavisnosti od opterecenja i drugih faktora). Zbogtoga LM7815 može da se ne startuje uopšte (tzv. latch–up pro-blem), a na elektrolitskom kondenzatoru C3 se pojavljuje zna-cajan negativan napon! Dioda D2 sprecava ovakav scenario inapon na izlazu LM7815 u prelaznom režimu u najgorem slu-caju svodi na −0,7V, što je takode prihvatljivo i za kondenzatorC3. Identicnu ulogu u obrnutom scenariju ima dioda D4.

Diode D2 i D4 nazivaju se clamp ili shunt diode, a primenjuju sei kod regulatora sa podesivim izlaznim naponom.



Linearni izvori napajanjaIzlazne zaštitne diode

Samostalni izvori napajanja su zašticeni izlaznim diodama zaslucaj da se greškom na njihov izlaz prikljuci drugi izvor u opozi-ciji.



Linearni izvori napajanjaOsnovne karakteristike

Parametar Vrednost JedinicaLinijska regulacija 0,02–0,05 %Regulacija opterecenja 0,02–0,1 %Ripple 0,5–2 mVrms

4

Efikasnost 40–55 %

4rms - Root Mean Square (efektivna vrednost)Z. Prijic Analogna mikroelektronika


Deo 3

Elektro–termalna analogija



Linearni izvori napajanjaHladenje regulatora

Tokom rada, kroz linearni regulator stalno protice struja. Zbogtoga se na njemu disipira snaga, pa se regulator zagreva. Dabi se izbeglo pregrevanje, u mnogim slucajevima je na regula-tor potrebno montirati hladnjak (heatsink ). Postavljaju se dvapitanja:

1 Da li je, za date uslove, potreban hladnjak?2 Ako je potreban, kako ga izabrati?



Linearni izvori napajanjaMontaža hladnjaka

Jezičak (TAB)

Na TAB izvodu je prisutan izlazni napon! Liskunski podmetac ili sili-konska guma se koriste da izoluju hladnjak od kucišta. Oba materijalasu dobri provodnici toplote i elektricni izolatori. Termoprovodna pa-sta služi da popuni mikroskopske neravnine na spojevima hladnjak–podmetac i kucište–podmetac i time omoguci bolji prenos toplote sakucišta na hladnjak. Plasticni prsten izoluje vijak od kucišta.



Linearni izvori napajanjaElektro–termalna analogija

R

I PT1 T2

Elektricna velicina Termicka velicinaPotencijal5 φ (V) Temperatura T (C)Struja I (A) Snaga disipacije P (W)Elektricna otpornost R (Ω) Termicka otpornost θ (CW−1)

5Napon: U = φ1 − φ2.Z. Prijic Analogna mikroelektronika



Elektricno kolo (a) i analogno termalno kolo (b).

(a) (b)

I =φ2 − φ1R

(5)

P =T2 − T1

θ(6)




Termicke otpornosti regulatora sa hladnjakom:

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5




Temperatura cipa se oznacava sa TJ i naziva se temperaturaspoja (T – Junction). Temperatura okoline (ambijenta) TA ustvari predstavlja temperaturu unutar uredaja ciji je regulator sa-stavni deo. Definicija termickih otpornosti:

θJC izmedu cipa i kucišta (junction-to-case)θCS izmedu kucišta i hladnjaka (case-to-heatsink )θS termicka otpornost hladnjaka (heatsink )θSA izmedu hladnjaka i okoline (heatsink-to-ambient)

Ukupna termicka otpornost:

θJA = θJC + θCS + θS + θSA (CW−1) .




Otpornost θJC je tehnicka karakteristika tranzistora, a otpornostθCS karakteristika materijala upotrebljenog za elektricnu izola-ciju (ukljucujuci tu i termoprovodnu pastu). Otpornost θSA jeosnovna tehnicka karakteristika hladnjaka. Otpornost θS se naj-cešce zanemaruje, pa je ukupna termicka otpornost:

θJA ' θJC + θCS + θSA (CW−1) . (7)

Kada nema hladnjaka, onda je θJA = θJC .



Linearni izvori napajanjaIzbor hladnjaka

Proizvodaci u tehnickim specifikacijama navode termicku otpor-nost izmedu cipa i okoline θJA (junction-to-ambient). Medutim,treba naglasiti da je ovaj parametar, u stvari, karakteristika ku-cišta. Na primer, za kucište TO-220 je θJA = 62,5 CW−1. Toznaci da ce po svakom W disipirane snage temperatura cipaporasti za 62,5 C u odnosu na temperaturu okoline! Ako je re-gulator bez hladnjaka i TA = 25 C onda ce vec za 2W disipiranesnage temperatura spoja, na osnovu (6), biti:

TJ = 25 + 2 · 62, 5 = 150 C ,

što je za vecinu regulatora maksimalna dozvoljena temperaturaspoja.




Disipacija snage na LM317T se može odrediti pomocu aproksi-mativne formule:

P ≈ (VIN − VOUT )ILmax , (8)

pri cemu je ILmax maksimalna struja kroz opterecenje.

Primer: VIN = 12V, VOUT = 5V, ILmax = 500mA.

P ≈ (12− 5) · 0, 5 = 3,5W .




Prema specifikaciji proizvodaca, maksimalna dozvoljena tempe-ratura spoja je TJ = 150 C i θJA = 65 CW−1. Neka je mak-simalna temperatura unutar uredaja u kome ce biti regulatorTA = 50 C. Tada je, za snagu od 3,5W:

TJ = TA + θJAP = 50 + 65 · 3, 5 = 277,5 C ,

što je znatno više od maksimalne dozvoljene temperature spoja,pa je hladnjak potreban.




Izracunava se θJA za maksimalnu dozvoljenu temperaturu spoja:

θJA =TJ − TA

P=

150− 50

3, 5' 28,6 CW−1 .

Iz tehnicke specifikacije proizvodaca je θJC = 5 CW−1. Vred-nost otpornosti θCS može znacajno varirati, zavisno od vrste idebljine materijala, termoprovodne paste, kao i primenjenog me-hanickog pristiska izmedu kucišta i hladnjaka. Ako se uzme daje θCS ≈ 1 CW−1, onda je iz (7):

θSA = θJA − (θJC + θCS) = 28, 6− (5 + 1) = 22,6 CW−1 .

Prema tome, potreban je hladnjak cija termicka otpornost nesme biti veca od 22,6 CW−1.




Prethodno izracunavanje stavlja temperaturu spoja na maksi-malnu dozvoljenu vrednost, što nije dobro jer se skracuje radnivek i smanjuje pouzdanost regulatora. U praksi je bolje za tem-peraturu spoja uzeti neku manju vrednost, npr. 110 C. Tadaje:

θJA =TJ − TA

P=

110− 50

3, 5' 17 CW−1 ,

pa je

θSA = θJA − (θJC + θCS) = 17− (5 + 1) = 11 CW−1 .

Treba izabrati hladnjak cija termicka otpornost ne sme biti vecaod 11 CW−1.




Naravno, bolje je izabrati hladnjak sa manjom termickom otpor-nošcu. Na primer, može se izabrati komercijalno dostupni hlad-njak cija je termicka otpornost 10,2 CW−1. Tada ce biti:

θJA = θJC + θCS + θSA = 5 + 1 + 10, 2 = 16,2 CW−1 ,

odnosno:

TJ = TA + θJAP = 50 + 16, 2 · 3, 5 ' 107 C .

Izbor hladnjaka je gotovo uvek kompromis izmedu vrednosti ter-micke otpornosti, gabarita i cene.



Završne napomene

Prilikom projektovanja izvora napajanja OBAVEZNO trebapoštovati sve mere bezbednosti koje propisujuodgovarajuci standardi!Prikazane elektricne šeme ne ukljucuju sve detalje izvora imogu se koristiti iskljucivo u obrazovne svrhe.Prilikom izbora transformatora, osiguraca, kao i drugihelemenata zaštite obavezno treba prouciti dodatnu strucnuliteraturu, a posebno informacije i preporuke date utehnickim specifikacijama proizvodaca.


Documents

Elektronski fakultet Niš Katedra za mikroelektronikumikro.elfak.ni.ac.rs/wp-content/uploads/2017/10/Literatu...Za sve regulatore karakteristican jeˇ minimalni pad napona na re-gulatoru