Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì

Power Supply Unit – hay còn gọi là “nguồn” – là một trong những khối cơ bản và quan trọng nhất của mỗi mạch điện. Nguồn được thiết kế tốt sẽ là điều kiện tiên quyết để mạch có thể làm việc ổn định, đặc biệt là đối với những mạch cần độ chính xác cao về điện áp như vi xử lý (processor), RAM, mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, ADC… Vì vậy hiểu rõ các thông số, đặc điểm của nguồn cũng như những điều cần tránh trong khi thiết kế sẽ giúp hạn chế những rủi ro cũng như số lần phải chỉnh sửa hoặc thiết kế lại mạch.

Có rất nhiều cách phân loại nguồn, nhưng nhìn chung gồm hai loại chính là nguồn xoay chiều (AC) và một chiều (DC). Hầu hết nguồn cấp cho các mạch điện tử là nguồn một chiều. Riêng trong nguồn một chiều cũng có thể được phân thành cách loại khác nhau như nguồn áp – loại nguồn có áp đầu ra là một hằng số, hay nguồn dòng – nguồn có dòng đầu ra là hằng số. Dựa trên sự phổ biến trong các mạch điện tử, loạt bài “Power Supply Basic” sẽ tập trung vào hai loại nguồn áp chính là nguồn tuyến tính (Linear Power Supply)nguồn xung (Switching Mode Power Supply) và trình bày những khái niệm sơ lược về nguồn dòng.

Nguồn tuyến tính và các phiên bản cải tiến của nó – Low Dropout Linear Regulator (thường được viết tắt là LDO) là các bộ nguồn đơn giản, cho phép tạo một điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào. So với các loại nguồn khác (ví dụ như nguồn xung), nguồn tuyến tính khá dễ thiết kế và sử dụng. Đối với các bạn sinh viên điện tử Việt Nam, trong những ngày đầu chập chững trên con đường tầm sư học đạo, hẳn ai cũng đã từng làm quen với LM7805 – một nguồn tuyến tính có thể được xếp vào loại cổ đại, mà ngày nay rất ít được áp dụng trong các sản phẩm thương mại. Nói như vậy để mọi người thấy được, nguồn tuyến tính cũng chẳng có gì xa lạ cả, có chăng chỉ là đôi khi chúng ta dùng mà không hiểu rõ mà thôi. Trong bài đầu tiên này mình sẽ trình bày nguyên lý hoạt động, các thông số cơ bản của nguồn tuyến tính, từ đó đưa ra các ưu nhược điểm và các ứng dụng phù hợp của chúng.

Để hiểu một cách đơn giản nhất về nguyên lý hoạt động của nguồn tuyến tính, các bạn có thể xem qua hai clip sau:

https://www.youtube.com/watch?v=6T3nK4bTsSw

Fundamentals of Power Electronics – Basic Linear Regulator Operation

https://www.youtube.com/watch?v=psm6z11gQHM

Fundamentals of Power Electronics – Linear Regulator Operation Using a MOSFET

Trong video đầu tiên, cô giáo Katherine A. Kim đã đưa ra mô hình của một bộ chuyển đổi điện áp vô cùng đơn giản, dựa trên nguyên lý hoạt động của cặp điện trở phân áp. Theo đó điện áp VOUT có giá trị bằng điện áp rơi trên R2, được tính bằng công thức sau: 

V_{OUT}=\frac{R_2}{R_1+R_2}\times V_{IN}

Bằng cách thay đổi giá trị của biến trở R1, chúng ta có thể thay đổi được giá trị điện áp ở đầu ra. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm như sau: Khi điện áp đầu vào thay đổi, cần phải điều chỉnh R1 bằng tay để giữ nguyên giá trị điện áp VOUT. Vì vậy đây là một giải pháp phi thực tế.

Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì

Video thứ hai trình bày đơn giản hóa nguyên lý của hầu hết các nguồn tuyến tính hiện nay, bằng cách sử dụng MOSFET Q1 thay cho biến trở R1 (Hình 1B). Để hiểu được lý do của sự thay đổi này, chúng ta cần ôn lại một chút kiến thức cơ bản về MOSFET.

Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì

Hình 2. Đặc tuyến của một MOSFET kênh N [1]

Khi cấp một điện áp VGS vào cực Gate của MOSFET, sẽ có dòng điện IDS chạy trong MOSFET, đồng thời có một điện áp VDS rơi giữa hai cực Drain và Source. Ở vùng tuyến tính (Linear Region) trên đặc tuyến của MOSFET, chúng ta thấy khi IDS tăng thì VDS cũng tăng với tỷ lệ gần như không đổi. Đặc điểm này của vùng tuyến tính tương tự như đặc tính của một điện trở – khi dòng điện đi qua điện trở tăng thì điện áp rơi trên trở cũng tăng với hệ số nhân là giá trị của điện trở. Một đặc điểm khác của MOSFET đó là khi thay đổi điện áp VGS thì RDS cũng thay đổi. Như vậy có thể coi MOSFET khi làm việc ở vùng tuyến tính là một biến trở có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi điện áp VGS cấp vào giữa hai cực Gate và Source. Khi mắc MOSFET với tải theo dạng phân áp, chúng ta sẽ tạo ra sự chuyển đổi từ điện áp cao xuống điện áp thấp.

Điều này có nghĩa là, nếu có một cơ chế điều khiển điện áp VGS một cách tự động, chúng ta có thể tạo ra một nguồn điện có điện áp ra ổn định, dù cho điều kiện hoạt động của tải có thay đổi. Đây chính là nguyên lý cơ bản của một bộ nguồn tuyến tính. Giờ thì bạn đã hiểu được vì sao nguồn tuyến tính lại được gọi là bằng cái tên “tuyến tính” rồi chứ?

Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì
Hình 3. Cấu trúc đơn giản hóa của một nguồn tuyến tính [2]

Hình 3 mô tả một cấu trúc tiêu biểu của các nguồn tuyến tính hiện đại. Theo đó, một nguồn tuyến tính thường bao gồm các thành phần cơ bản sau: Một thành phần cho dòng điện chạy qua và gây ra một điện áp rơi trên nó, gọi là “Pass Element”. Thành phần này thường là FET, MOSFET, hoặc BJT mắc theo kiểu Darlington hoạt động ở vùng tuyến tính. Như đã nói ở trên, tại vùng làm việc tuyến tính, nó có tính chất như một điện trở, cũng là thành phần gây ra sự giảm áp ở đầu ra so với đầu vào. Điện áp ở đầu ra sẽ được cảm nhận và so sánh với một giá trị điện áp tham chiếu (Reference Voltage – VREF) bởi bộ so sánh “Error Amplifier”. Đầu ra của bộ so sánh này sẽ là đầu vào của “Gate Drive” – bộ điều khiển điện áp trên cực Gate của Pass Element để bảo đảm điện áp tại đầu ra luôn ổn định. Cơ chế cảm nhận sự thay đổi ở đầu ra, sau đó đưa ra những thay đổi để ổn định lại thông số ở đầu ra này được gặp rất nhiều trong các mạch điện tử, được gọi là “feedback”.

Các khái niệm dưới đây đa phần được lược dịch từ tài liệu“Understanding the Terms and Definitions of LDO Voltage Regulators”

Tác giả Bang S. Lee – Texas Instruments

Dropout Voltage
Là điện áp chênh lệch giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra mà tại đó mạch không còn khả năng giữ ổn định điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào giảm tới mức tới hạn. Ví dụ, một LDO có điện áp đầu ra mong muốn là 3.3V 0.5A, điện áp đầu vào ban đầu là 5V. Thực hiện giảm từ từ điện áp đầu vào cho tới khi điện áp đầu ra bắt đầu giảm, giả sử điện áp đầu vào khi đó là 3.45V. Khi đó Dropout Voltage của LDO sẽ là 0.15V. Điện áp này gây ra bởi nội trở RDS(ON) của Pass Element dưới dòng đầu ra trên tải ILOAD. Chúng ta cũng có thể tính được giá trị RDS(ON) thông qua công thức sau: 

R_{DS_{ON}}=\frac{0.15V}{0.5A}=0.3Ω

Hay nói cách khác:

V_{DROPOUT}=I_{LOAD}\times R_{DS_{ON}}

Thêm một ví dụ, điện áp Dropout Voltage của TPS76733 là 350mV tại dòng 1A. Có nghĩa là nếu điện áp đầu vào giảm xuống dưới 3.65V thì điện áp ở đầu ra sẽ không còn giữ ở 3.3V nữa mà bắt đầu giảm. Nếu điện áp đầu vào tiếp tục giảm, đến một mức nào đó, nguồn sẽ không hoạt động, tức là không còn điện áp đầu ra.

Quiescent Current
Quiescent hay ground current (tạm dịch là dòng tĩnh) là sự chênh lệch giữa cường độ dòng điện tại đầu vào và đầu ra của LDO. Sự chênh lệch này đến từ sự tiêu hao năng lượng trên các phần tử bên trong nguồn. Có thể chia Quiescent Current thành hai nhóm chính.

  • Bias Current (dòng phân cực): Gây ra bởi Band-Grap Reference (bộ tạo điện áp tham chiếu bên trong LDO), sampling resistor (các điện trở lấy mẫu), Error Amplifier (bộ so sánh điện áp ở đầu ra với điện áp tham chiếu).
  • Dòng điều khiển cực gate của Pass Element.

Standby Current
Standby Current là dòng tiêu thụ bởi IC nguồn khi điện áp ra bị ngắt bởi tín hiệu điều khiển SHUTDOWN hoặc ENABLE. Các bộ tạo điện áp tham chiếu (VREF) và bộ so sánh Error Amplifier của LDO sẽ không hoạt động trong chế độ standby.

Hiệu suất
Hiệu suất của một nguồn LDO được giới hạn bởi dòng tĩnh (quiescent current) và các điện áp đầu vào / đầu ra theo công thức sau:

Efficiency=\frac{I_{LOAD}\times V_{OUT}}{(I_{LOAD}+I_Q)\times V_{IN}}

Để nguồn tuyến tính thu được hiệu suất cao, giá trị điện áp rơi (Drop Out Voltage) và dòng tĩnh (Quiescent Current) phải được giảm đến mức tối thiểu. Ngoài ra, chênh lệch giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra cũng phải có giá trị nhỏ, điều này giúp giảm công suất hao phí trên LDO. Ví dụ, nếu bạn cần một điện áp 3.3V ở đầu ra, bạn nên sử dụng một điện áp đầu vào là 5V thay vì điện áp 12V.
Thêm một ví dụ cụ thể hơn: Bộ nguồn TPS76933 của hãng Texas Instruments là một nguồn LDO có điện áp đầu ra là 3.3V. Giả sử điện áp đầu vào trong khoảng từ 3.6V tới 4.5V, dòng đầu ra từ 80mA tới 100mA, dòng tĩnh tối đa là 17μA. Khi đó hiệu suất của bộ nguồn sẽ là:

Efficiency=\frac{100mA\times 3.3V}{(100mA+17\mu A)\times 4.5V} \times 100\%=73.3\%

Cũng với bộ nguồn trên, nhưng thay đổi dải điện áp đầu vào thành 3.6V tới 4V.

Efficiency=\frac{100mA\times 3.3V}{(100mA+17\mu A)\times 4V} \times 100\%=82.5\%

Nhìn chung, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các nguồn tuyến tính dẫn tới một hệ quả xấu, đó là luôn có một điện áp rơi giữa đầu vào và đầu ra. Như đã nói ở trên, điện áp này gọi là Drop Out Voltage, ngoài ra còn có một tên khác là Headroom Voltage. Điện áp này kết hợp với dòng tiêu thụ của tải, cũng như Quiescent Current sẽ làm nguồn tuyến tính tiêu hao một lượng lớn công suất dưới dạng nhiệt. Công suất hao phí này khiến nguồn tuyến tính chỉ có hiệu suất rất thấp, chỉ từ 35 tới 65% [3]. Lấy ví dụ, một nguồn tuyến tính có đầu vào 12V, đầu ra 5V, cung cấp một dòng điện 100mA cho tải sẽ có công suất hao phí tới 700mW trong khi chỉ cấp 500mW cho tải – như vậy hiệu suất sẽ là 42%. Điều này dẫn tới một thực tế đó là nguồn tuyến tính sẽ không có tính kinh tế với các ứng dụng có công suất tiêu thụ lớn hơn 10W do phần chi phí cho tấm tản nhiệt trở lên đắt đỏ. Trong khi đó, LDO là những nguồn tuyến tính tốt hơn do có Drop Out Voltage nhỏ hơn và được sử dụng rất nhiều hiện nay để thay thế cho các nguồn tuyến tính kiểu cũ.

Transient Response
Transient response (tạm dịch là khả năng đáp ứng với những thay đổi nhanh) là sự thay đổi tối đa được cho phép của giá trị điện áp đầu ra ứng với một sự thay đổi của dòng tiêu thụ trên tải. Transient response là một hàm theo giá trị của tụ đầu ra (Output Capacitor) (Co), giá trị nội trở tương đương (Equivalent Series Resistance – ESR) của tụ đầu ra, giá trị của tụ bypass (một tụ thường được thêm vào tại đầu ra để cải thiện khả năng đáp ứng của nguồn), và giá trị dòng tiêu thụ tối đa của tải (IO, MAX). Khi đó, sự thay đổi điện áp đầu ra được cho bởi công thức:

\Delta V_{tr,max}=\frac{I_{o,max}}{C_o\times C_b}\times \Delta t_1+\Delta V_{ESR}

Trong đó, ∆t1 tương ứng với bandwidth (băng thông) của voltage control loop (vòng điều khiển điện áp, ý nói đến cơ chế điều khiển điện áp) hay thời gian từ thời điểm xảy ra thay đổi tới khi bộ nguồn đưa ra đáp ứng, ∆VESR là điện áp thay đổi tại đầu ra – kết quả của sự hiện diện của ESR (RESR) của tụ đầu ra.

Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì
Hình 4. Transient Response của một LDO 1.2V, 100mA

Hình trên là Transient Response của một LDO 1.2V, 100mA với tụ đầu ra 4.7uF. Bước thay đổi (step change) của dòng tiêu thụ trên tải (load current) có giá trị xấp xỉ 90mA, được thể hiện bẳng đường ở phía trên của hình. Đường phía dưới có sự sụt áp 120mV, sau đó cơ chế điều khiển điện áp của LDO bắt đầu đáp ứng lại sự thay đổi của tải trong khoảng 1us (∆t1=1us). Frequence bandwidth của LDO được tính dựa trên giá trị ∆t1. Cuối cùng điện áp đầu ra đạt ngưỡng ổn định sau khoảng 17us. Để thu được tốc độ đáp ứng nhanh hơn, nên lựa chọn LDO có bandwidth cao (thời gian ∆t1 ngắn hơn), sử dụng tụ đầu ra có điện dung lớn hơn, giá trị trở tương đương ESR của tụ nhỏ hơn.

Line Regulation
Line Regulation là thông số đo lường khả năng ổn định điện áp đầu ra của LDO khi điện áp đầu vào thay đổi. Được định nghĩa bằng công thức sau:

Line Regulation=\frac{\Delta V_{OUT}}{\Delta V_{IN}}

Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì
Hình 5. Line Transient Response of TPS76933

Load Regulation
Line Regulation là thông số đo lường khả năng ổn định điện áp đầu ra của LDO khi dòng tiêu thụ của tải thay đổi. Được định nghĩa bằng công thức sau:​​

Load Regulation=\frac{\Delta V_o}{\Delta I_o}

Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì
Hình 6. Load Transient Response of TPS76350

PSRR và khả năng cải thiện nhiễu của LDO
Power supply ripple rejection ratio (PSRR), là một thông số đo lường khả năng loại bỏ các thành phần nhiễu “ripple” [4]  ứng với các tần số khác nhau ra khỏi điện áp vào của một mạch điện. Đây là một thông số rất quan trọng, nhất là với các ứng dụng liên quan tới sóng RF (Radio Frequency), các ứng dụng truyền thông không dây… Trong trường hợp của LDO, nó được tính bằng tỷ số giữa biên độ “ripple” tại đầu ra so với biên độ “ripple” tại đầu vào với các giá trị tần số khác nhau của ripple (thường nằm trong dải từ 10Hz tới 10MHz) và được biểu diễn bằng đơn vị decibel (dB).

PSRR=20\times \log\frac{RIPPLE_{INPUT}}{RIPPLE_{OUTPUT}}

Ic tương tự tuyến tính có tác dụng gì
Hình 7. Minh họa khả năng cải thiện ripple của LDO

Thông thường, giá trị PSRR của LDO vào khoảng vài chục dB và được ghi trong datasheet của từng bộ nguồn. Ví dụ, trong datasheet của một LDO có mã Part Number là “AP2127” (do Diodes Inc sản xuất) có ghi như sau: “High Ripple Rejection: ​68dB @ f = 1kHz, 54dB @ f = 10kHz”. Điều này có nghĩa là: giá trị PSRR ứng với thành phần nhiễu ripple có tần số 1kHz là 68dB, ứng với thành phần nhiễu ripple có tần số 10kHz là 54dB. Điều này cho thấy, AP2127 có khả năng loại bỏ “ripple” có tần số thấp tốt hơn nhiễu có tần số cao.​

​PSRR khá giống với Line Transient Response. Trong khi PSRR được mô tả ở các giá trị tần số xác định thì Line Transient Response lại bao gồm tất cả các tần số. Thông thường, việc cải thiện PSRR cũng đi kèm với sự thiện Line Transient Response. Sự khác biệt chính là PSRR được xây dựng dựa trên các tín hiệu nhỏ, trong khi Line Transient là từ các tín hiệu lớn, do đó về mặt lý thuyết phức tạp hơn nhiều [5]