55. Линейные стабилизаторы

Самая частая микросхема питания на плате с микроконтроллером. Три вывода, два конденсатора — и есть 3,3 вольта. Именно из-за этой простоты её ставят не думая, и именно поэтому она чаще всего оказывается тем местом, где плата греется, где садится батарейка и откуда идёт шум в АЦП.

Раздел про то, что нужно посчитать до того, как поставить: перепад, тепло, собственный ток и выходной конденсатор.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
linear regulator	линейный стабилизатор
low-dropout regulator (LDO)	стабилизатор с малым падением
dropout voltage	минимальный перепад вход-выход
pass element	регулирующий элемент
adjustable / fixed output	регулируемый / с фиксированным выходом
reference voltage	опорное напряжение
quiescent current (Iq), ground current	собственный ток
load / line regulation	нестабильность по нагрузке / по входу
power supply rejection ratio (PSRR)	подавление помехи по питанию
junction temperature (Tj)	температура кристалла
thermal resistance (Rth)	тепловое сопротивление
thermal shutdown	отключение по перегреву
equivalent series resistance (ESR)	внутреннее последовательное сопротивление

55.1 Как он работает

Внутри — регулирующий элемент (по сути управляемое сопротивление) последовательно с нагрузкой, источник опорного напряжения и усилитель ошибки, который приоткрывает элемент ровно настолько, чтобы выход совпадал с опорой. Это тот же контур обратной связи, что в разделе 47, только целиком внутри корпуса.

Отсюда все свойства сразу: выход всегда ниже входа; разница превращается в тепло; ток входа равен току выхода плюс собственный.

55.2 Фиксированный и регулируемый

С фиксированным выходом — три вывода, номинал зашит внутри. Обвязка: конденсатор на входе, конденсатор на выходе. Для 3,3 и 5 В берут именно такие.

Регулируемый держит на своём выводе обратной связи опорное напряжение (у классического — 1,25 В) и позволяет задать выход делителем: Uвых = Uоп · (1 + R2/R1) + Iрег · R2, где Iрег — ток вывода регулировки, около 50 мкА. При R2 = 390 Ом это +20 мВ, при делителе в десятки килоом — сотни милливольт: ещё одна причина держать его низкоомным.

Для 3,3 В при нижнем плече 240 Ом верхнее должно быть 393,6 Ом; из ряда E24 берут 390 Ом и получают 3,281 В — промах 19 мВ, шесть десятых процента. Следующий номинал 430 Ом дал бы уже 3,490 В, на 190 мВ выше.

⚠️ Точность задаёт опора, а не резисторы. Разброс опорного напряжения ±2 % даёт на выходе от 3,216 до 3,347 В — 131 мВ, почти в семь раз больше промаха от ряда номиналов (19 мВ). Ставить резисторы с допуском 1 % есть смысл, но чуда они не сделают.

Нижнее плечо выбирают не произвольно: ток через делитель (здесь 5,21 мА) служит минимальной нагрузкой — без неё классический регулируемый стабилизатор не держит выход. Постоянные 17 мВт, о которых часто забывают при батарейном питании.

55.3 Перепад вход-выход: чем LDO отличается

Стабилизатору нужен запас между входом и выходом. У классического это около 2 В, у прибора с малым падением — 0,2 В и меньше.

Разница решающая при питании от аккумулятора. Литиевый элемент даёт 4,2 В заряженным и 3,0 В разряженным:

Проценты — по таблице холостого хода литиевой ячейки из раздела 121, а не по прямой от 4,2 до 3,0 В. Разрядная кривая нелинейна: большая часть ёмкости отдаётся на полке 3,6–3,8 В, и к 3,5 В её израсходовано уже около 85 %. Разница между падением 0,2 В и 50 мВ — около семи процентов, а под нагрузкой напряжение ниже холостого, и оба порога наступают чуть раньше. Важнее другое: ниже порога стабилизатор не выключается — выход повторяет вход минус падение, и микроконтроллер работает до своего порога сброса. Решает то, выдержит ли пониженное питание остальная схема.

55.4 Тепловой расчёт: единственное, что нельзя пропустить

Мощность считается тривиально: P = (Uвх − Uвых) × I. Дальше нужен один шаг, который пропускают чаще всего, — температура кристалла:

Tj = Tокр + P × Rth

Тепловое сопротивление зависит от корпуса и от того, сколько под ним меди. Предел кристалла — обычно 125 °C.

Случай первый: 5 → 3,3 В при 150 мА. Мощность 0,255 Вт.

Вроде бы SOT-23 проходит. Но при 85 °C вокруг (шкаф, лето, корпус без вентиляции) он тянет уже только 0,16 Вт — меньше, чем требуется, и та же схема перестаёт работать. Тепловой расчёт делают для максимальной температуры среды, а не комнатной.

Случай второй: 12 → 5 В при 500 мА. Мощность 3,5 Вт.

Корпус TO-220 без радиатора даёт 257 °C — прибор просто выключится по перегреву. Нужен тепловой путь не хуже 24,3 °C/Вт; радиатор на 5 °C/Вт закрывает задачу с запасом. К нему прибавляются «кристалл — корпус» и прокладка — вместе около 5 °C/Вт, весь путь — 10 °C/Вт, и кристалл будет 75 °C.

И сразу вопрос: а стоит ли? Импульсный преобразователь в той же точке теряет в 12,6 раза меньше (раздел 53.4). Радиатор, место на плате и нагрев корпуса — это цена простоты.

Вкладка «LDO» в калькуляторах приложения считает то же для своих напряжений, тока, среды и корпуса — мощность, кристалл, допустимую мощность и нужный тепловой путь; там же делитель регулируемого стабилизатора из 55.2.

55.5 Собственный ток

Стабилизатор потребляет ток и без нагрузки. Для сетевого устройства это не важно; для батарейного — часто важнее всего остального.

Таблица показывает масштаб собственного тока: от таблетки 3 В камень питают напрямую. Разница между крайними вариантами — в пять тысяч раз. Классический стабилизатор съедает таблетку за двое суток, вообще ничего не питая; на его фоне все ухищрения с режимами сна (раздел 10) бессмысленны.

Ещё две тонкости для батарейных устройств: у части приборов собственный ток резко растёт вблизи порога перепада, и почти у всех — при большой нагрузке. Смотреть надо график, а не одну цифру.

55.6 Помеха по питанию: почему линейный не «чистит» импульсный

Распространённое заблуждение: поставим после импульсного преобразователя линейный стабилизатор — и питание станет чистым. Отчасти да, но подавление сильно зависит от частоты:

Импульсный преобразователь шумит как раз на сотнях килогерц. На 500 кГц подавление по той же кривой — около 13 дБ, и помеха 50 мВ пройдёт через стабилизатор как 11 мВ — это четырнадцать шагов 12-разрядного АЦП (шаг 806 мкВ). Та же помеха на 100 Гц дала бы 50 мкВ, то есть ничего.

Вывод: для аналоговой части одного стабилизатора мало. Нужен LC-фильтр до него (раздел 53.4), отдельная развязка и разводка, а иногда — питание аналоговой части от своего линейного стабилизатора, подключённого к входу до преобразователя.

55.7 Выходной конденсатор: тот, о ком не пишут

Выходной конденсатор — часть контура обратной связи, и от него зависит устойчивость. У приборов старых серий в описании указано окно внутреннего сопротивления: например, от 0,2 до 5 Ом.

• танталовый или электролитический с 0,5 Ом — попадает в окно;
• керамический с 0,01 Ом — ниже окна, стабилизатор превращается в генератор.

Окно узкое — всего в 25 раз, и «улучшение» схемы заменой старого электролита на современную керамику ломает её. Симптом: пульсации на выходе с частотой в сотни килогерц, которых не было.

Современные приборы делают устойчивыми именно с керамикой; тогда в описании прямо написано «ceramic stable». Проверять это надо всегда, особенно при замене прибора на аналог.

55.8 Защита

Почти любой стабилизатор имеет две встроенные защиты: ограничение тока и отключение по перегреву. Защита от обратной полярности входа есть лишь у части приборов (прежде всего автомобильных); у остальных её ставят снаружи — диодом или полевым транзистором в цепи питания.

Ограничение тока само по себе не спасает: при коротком замыкании выхода на входе 12 В и пороге 1,5 А прибор рассеивает 18 Вт. Даже с радиатором на 5 °C/Вт (весь путь 10 °C/Вт, как в 55.4) это 220 °C — далеко за пределом. Спасает именно отключение по перегреву, которое выключает прибор и включает снова, когда тот остынет.

Что стоит добавить снаружи: диод параллельно (катодом ко входу) на случай, если выход окажется выше входа — например, при выключении питания, когда выходной конденсатор ещё заряжен.

55.9 Грабли

Плата греется в одном месте. Посчитайте (Uвх − Uвых) × I и температуру кристалла. Скорее всего, нужен другой корпус или импульсный преобразователь.

Работает на столе, отключается в корпусе. Тепловой расчёт сделан для 25 °C вместо реальных 60–85.

Выход ниже номинала на десятые доли вольта. Не хватает перепада вход-выход.

Выход «звенит» на сотнях килогерц. Выходной конденсатор вне окна внутреннего сопротивления — обычно керамика вместо электролита.

Батарейка садится за двое суток. Собственный ток классического стабилизатора.

Шум в АЦП после импульсного источника. Подавление на сотнях килогерц всего 20 дБ.

Регулируемый стабилизатор выдаёт что попало без нагрузки. Нет минимального тока: делитель обратной связи взят слишком высокоомным.

Прибор сгорел при отключении питания. Выходной конденсатор оказался заряжен выше входа — нужен обратный диод.

Заменили на «такой же» аналог, и всё сломалось. Другой требуемый конденсатор, другой перепад, другая распиновка — у трёхвыводных стабилизаторов расположение выводов не стандартизовано.

55.10 Итоги

• Линейный стабилизатор превращает разницу напряжений в тепло; ток входа равен току выхода.
• Регулируемый задаётся делителем от опоры 1,25 В; точность определяет опора (±2 % → 131 мВ), а не ряд номиналов; делитель служит минимальной нагрузкой.
• Перепад вход-выход решает при питании от аккумулятора: классический от лития не работает вовсе; прибор с 0,2 В держит 3,3 В до 85 % ёмкости, с 50 мВ — до 92 %; ниже порога выход просто идёт за входом.
• Тепловой расчёт обязателен и делается для максимальной температуры среды: 0,255 Вт в SOT-23 дают 104 °C при 40 °C вокруг и уже не проходят при 85 °C.
• 3,5 Вт требуют теплового пути не хуже 24,3 °C/Вт; импульсный в той же точке теряет в 12,6 раза меньше.
• Собственный ток различается в пять тысяч раз: от 1,8 суток до 25 лет на одной таблетке.
• Подавление помехи падает с частотой: 50 мВ на 500 кГц проходят как 11 мВ — четырнадцать шагов АЦП.
• Выходной конденсатор — часть контура: керамика вместо электролита превращает стабилизатор в генератор.

Дальше: раздел 56 «Операционные усилители» — как усилить слабый сигнал до шкалы АЦП, когда встроенного усилителя нет.