Расширение диапазона входных напряжений LDO регулятора

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2018

Jeff Falin

EDN

Диапазон входных напряжений любой микросхемы ограничен тем или иным значением, зависящим от технологического процесса, использованного при ее изготовлении. Это ограничение может доставлять неудобство в том случае, когда высокое напряжение питания нужно понизить с помощью линейного стабилизатора. Добавление МОП-транзистора на вход линейного регулятора позволяет создать схему с более широким диапазоном входных напряжений, чем у одного регулятора. Избыточное напряжение и, соответственно, мощность, выделяются на МОП-транзисторе.

На Рисунке 1 показан n-канальный MOSFET IRF7601 на входе малошумящего 100-миллиамперного LDO регулятора TPS79228 с выходным напряжением 2.8 В, отличающегося высоким коэффициентом подавления пульсаций питания. Резисторы R₁ и R₂ обеспечивает напряжение смещения на затворе MOSFET, а ток нагрузки определяет напряжение на истоке MOSFET. (Другими словами, сопротивление открытого МОП-транзистора подстраивается под ток нагрузки). В этом примере максимальное напряжение источника питания равно 15 В, но максимальное рекомендуемое рабочее входное напряжение TPS79228 составляет 5.5 В, поэтому в схеме используется MOSFET с пробивным напряжением 20 В.

Рисунок 1.	Для расширения диапазона входных напряжения LDO регулятора можно использовать ключ на MOSFET.

Для того чтобы определить минимальное напряжение смещения затвора MOSFET, необходимо в технической документации посмотреть на зависимость тока стока I_D от напряжения затвор-исток V_G. Из графика зависимости для IRF7601 видно, что при выходном токе 100 мА напряжение затвор-исток должно быть чуть ниже 1.5 В. Поскольку максимальное напряжение, падающее на регуляторе при токе 100 мА, равно 100 мВ, его входное напряжение должно оставаться на уровне, превышающем 2.9 В. Поэтому напряжение смещения на затворе MOSFET должно быть не меньше 1.5 В + 2.9 В = 4.4 В. Таким образом, если MOSFET отдает в нагрузку 100 мА, напряжение на его стоке не должно опускаться ниже 2.9 В. Что касается максимального напряжения смещения затвора, то оно просто должно быть равно максимальному рекомендованному рабочему напряжению регулятора, или 5.5 В. Этого напряжения более чем достаточно для эффективного управления затвором, обеспечивающего в режиме отключения ток регулятора порядка 1 мкА. Хотя напряжение смещения затвора может быть любым в диапазоне от 4.4 В до 5.5 В, для компенсации технологического разброса пороговых напряжений оно выбрано  равным 5 В. Максимальная мощность, рассеиваемая МОП-транзистором, равна

100 мА × (15 В – 2.9 В) = 1.21 Вт.

Такую мощность транзистор IRF7601 в корпусе Micro 8 может рассеивать при температуре окружающей среды до 55 °C.

Рисунок 2.	В тех случаях, когда входное напряжение может значительно меняться, фиксированное напряжение на затворе MOSFET поддерживается стабилитроном.

Схема на Рисунке 2 немного сложнее, но будет полезна в тех случаях, когда входное напряжение может значительно меняться. Фиксированное напряжение затвора MOSFET здесь обеспечивается стабилитроном, заменившим резистор R₂ на Рисунке 1. Напряжение стабилитрона выбирается так же, как объяснялось выше. Для создания стабилизатора с более широким диапазоном входных напряжений, чем позволяет микросхема, подходит любая из двух схем. Решение с одним MOSFET является простейшим и самым дешевым. В том случае, когда схема питается от нестабилизированного источника, лучше выбрать вариант со стабилитроном в цепи смещения затвора MOSFET.

Материалы по теме