تقریبا ۹۰ درصد محصولات الکترونیکی به نوعی شامل یک یا چند رگولاتور ولتاژ می باشند این مقاله به انتخاب بهتر انواع رگولاتور برای طراحی الکترونیک کمک میکند.

مگر آنکه بصورت مستقیم از باتری استفاده کنیم و یا از آداپتور خاص در غیر اینصورت رگولاتور ولتاژ در طراحی یک نیاز مبرم است.

انتخاب نوع رگولاتور برای کاربردهای متفاوت

اولین قدم برای بکار گیری رگولاتور مناسب تعیین ولتاژ ورودی ،ولتاژ خروجی و بیشینه میزان جریان مصرفی است.

رگولاتورهای ولتاژ به این دو دسته تقسیم میشوند

۱- کاهنده : ولتاژورودی از ولتاژ خروجی بیشتر است

۲- افزاینده: ولتاژورودی از ولتاژ خروجی کمتر است

با دانستن ولتاژ ورودی و خروجی به راحتی نوع رگولاتور مشخص میشود و متداولترین آنها کاهنده ها هستند برای مثال استخراج ولتاژ ۵ ولتی از ۱۲ ولتی

رگولاتورها به این دو نوع تقسیم میشوند

۱- رگولاتور خطی: ساده، ارزان و نویز کم ولی بازدهی پایینی دارند و تنها قابلیت کاهش ولتاژ را دارند

۲- رگولاتور سوئیچینگ: بازدهی مناسبی دارند اما گرانتر ،پیچیده تر هستند نویز بیشتری دارند و در هر دو دسته استفاده میشوند

چنانچه در طرحتان ولتاژ خروجی کمتر از ولتاژ ورودی می باشد اولین انتخاب شما رگولاتور خطی است مگر آنکه یا تلفات و توان مصرفی خیلی حائز اهیت باشد و یا قصد افزایش ولتاژ را داشته باشید.

رگولاتورهای خطی ارزانتر میباشد بنابراین اولین انتخاب شما هستند

تعیین توان تلفاتی

در حالی که رگولاتورهای خطی ارزانتر می باشند بزرگترین اشکالشان در مصرف توان بالاتر و بازدهی کمتر است که برای محصولاتی که باتری محور هستند مناسب نیست

مصرف بیشتر توان تولید گرمای بیشتر و آسیب زدن به این نوع محصولات باعث میشود که در طراحی اینگونه محصولات انتخاب سوئیچینگ مناسب تر باشد. گرمای اضافی ایجاد شده نه تنها به محصول صدمه میزند و در دراز مدت کارایی رو کاهش میدهد بلکه باعث سوختن خود قطعه نیز میگردد.

زمانیکه از رگولاتورهای خطی بهره میبرید محاسبه کنید که چه میزان توان در قطعه تلف میشود و از معادله زیر استفاده کنید.

توان = (ولتاژ ورودی – ولتاژ خروجی) X جریان بار

می توانیم فرض کنیم که جریان خروجی در رگولاتورهای خطی تقریبا برابر جریان ورودی می باشد و بدلیل اختلاف ولتاژ خروجی و ورودی توان زیادی در قطعه تلف می شود

بنابراین اختلاف ولتاژ در تلفات توان نقش مهمی ایفا میکند و مثلا اگر ولتاژ ورودی ۱۲ ولت باشد و بخواهیم آنرا به ۴/۴ ولت تبدیل کنیم در حالیکه نیاز به جریان ۱ آمپری داریم تلفات توان برابر ۸/۷ وات میگردد.

در بخش مشخصات گرمایی دیتاشیت رگولاتور به دنبال میزان تتا اتصال مجاورتی باشید (Theta- JA) که واحد آن بر حسب درجه /وات میباشد و نشانگر اینست که قطعه چند درجه بالای محیط بر وات تحمل گرمایی دارد. از فرمول زیر میزان دمای انتقالی بر هر وات رو بدست آورید.

توان X اتصال دمایی (Theta-JA) = افزایش دما از دمای محیط

مثلا اگر ۳ وات توان تلفاتی داشته باشیم و تتا هم ۵۰ درجه باشد یعنی ۱۰۰ درجه بالاتر از دمای محیط که معمولا ۳۵ درجه است که در این صورت ۱۳۵می شود که دمای حداکثری برای بیشتر قطعات الکترونیکی می باشد.

رگولاتورهای (LDO) با افت ولتاژ کم

در مواردی که ولتاژ خروجی و ورودی بسیار به هم نزدیک باشند حتی در جریانهای زیاد توان تلفاتی کمی خواهیم داشت و استفاده از رگولاتورهای خطی به صرفه خواهد بود اما در ولتاژهای نزدیک به ورودی رگولاتورهای خطی مانند یک مقاومت عمل میکنند و این باعث میشود که مزیت رگولاتور از بین برود و عمل فیلتر کردن نویز ورودی به خوبی انجام نشده و عملا خروجی ورودی را دنبال کند.

این ویژگی به افت ولتاژ کم (low drop) معروف است و در مورد ایسهای قدیمی عدد بزرگتری است مانند سری 78XX که ۳ ولت است.

LDO های جدید تر ولتاژ افت کمتری دارند که باعث تلفات کمتر و ایجاد گرمای کمتر میشوند.

رگولاتورهای خطی در صورتی مناسب هستند که یکی از شرایط زیر را داشته باشند:

۱- اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی کم داشته باشیم

۲- جریان بار کوچک باشد

۳- نیاز به خروجی بسیار صاف و تمیز باشد

۴- احتیاج به طرحی کم هزینه و ارزان داشته باشیم

نمونه هایی که نیاز به مدارات با تغذیه بسیار تمیز و صاف و عاری از نویز دارند مانند مبدلهای آنالوگ به دیجیتال و یا صوتی می باشند.

رگولاتورهای سوئیچینگ

درک نحوه کار رگولاتورهای سوئیچینگ بسیار پیچیده تر از رگولاتورهای خطی است و از ترانزیستور برای کنترل جریان خروجی کمک میگیرد.

چنانچه خروجی حس شده توسط رگولاتور از ورودی کمتر باشد آنگاه جریان بیشتری از ورودی به خروجی گسیل داده میشود و در غیر اینصورت جریان کمتری هدایت میشود.

رگولاتورهای سوئیچینگ از سلفها و خارنها برای ذخیره انرژی و هدایت آنها استفاده میکنند.

دو نوع رگولاتور سوئیچینگ وجود دارد که افزاینده و کاهنده می باشد.

نوع کاهنده آن که رگولاتور باک (buck) نام دارد مانند رگولاتور خطی ولتاژ خروجی کمتری نسبت به ورودی دارد.

در حالیکه رگولاتور سوئیچینگ افزاینده ولتاژ خروجی بیشتری از ورودی ایجاد میکند و به آن بوست (boost) میگوییم

رگولاتورهای سوئیچینگ بسیار راندمان خوبی دارند حتی اگر اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی زیاد باشد.

راندمان از فرمول زیر بدست میاید

راندمان = توان خروجی / توان ورودی = (جریان خروجی X ولتاژ خروجی) / (جریان ورودی X ولتاژ ورودی)

رگولاتورهای سوئیچینگ افزاینده

در بیشتر موارد ولتاژ خروجی از ولتاژ ورودی کمتر است که باید از نوع باک استفاده شود ولی در بعضی موارد مانند زمانیکه از باتری لیتیومی 3.6 ولتی استفاده میکنیم و میخواهیم 5 ولت برای راه اندازی بعضی قسمتها داشته باشیم نیاز است که از افزاینده کمک بگیریم.

بر خلاف رگولاتورهای خطی جریان خروجی برابر جریان ورودی نیست بلکه به توانها و بهره نگاه کنید.

با داشتن توان و بازده در دیتاشیت قطعه جریان خروجی آنرا محاسبه میکنیم که همیشه کمتر از جریان ورودی است. البته در نوع باک برعکس است.

رگولاتورهای باک-بوست

حالتی را در نظر بگیرید که از دو باتری AA استفاده میکنید که زمانیکه کاملا شارژ هستند 3.2 ولت دارند و زمانیکه شارژ آن کم است به 2.4 ولت میرسد و شما نیاز به ولتاژ 3 ولت دارید در این حالت میتوانید از هر دوی رگولاتورهای افزاینده و کاهنده کمک بگیرید اما بهترین روش استفاده از رگولاتور باک-بوست است.

این رگولاتور ترکیبی از رگولاتور افزاینده و کاهنده است که کنار هم قرار گرفته است

رگولاتور خطی + رگولاتور سوئیچینگ

مزیتهای رگولاتور خطی را بیاد آورید ارزان قیمت ، ساده و خروجی کم نویز در خیلی از مواقع شما نیاز به ولتاژ صاف و تمیز دارید که توان کمی هم تلف میکند و گرما ایجاد نکند.

در این موارد از ترکیب رگولاتور سوئیچینگ و خطی استفاده میکنیم. برای مثال میخواهیم از باتری لیتیمومی 3.6 ولتی استفاده کنیم و 5 ولت تمیز داشته باشیم میتوانیم از یک رگولاتور سوئیچینگ افزاینده کمک بگیریم و ولتاژ را به 5.5 ولت تبدیل کنیم سپس از یک رگولاتور خطی (LDO) برای تبدیل آن به 5 ولت استفاده کنیم.

با این روش هم بازدهی و هم عاری از نویز بودن حاصل میشود ولی باید به شاخص نسبی حذف منبع تغذیه (PSRR) توجه داشت.

PSRR رگولاتورهای خطی با فرکانس تغییر میکند بنابراین بصورت گراف نمایش داده میشود.

برای اینکار به رگولاتور سوئیچینگ خود نگاه کنید و میزان نویز و ریپل آنرا در فرکانسهای بحرانی بدست آورید سپس از گراف ببینید تا چه اندازه ریپل کاهش میابد.