Hochschule Kempten      
Fakultät Elektrotechnik      
Elektronik 3       Fachgebiet Elektronik, Prof. Vollrath      

Elektronik 3

10 Spannungsregler

Längsregler

Prof. Dr. Jörg Vollrath


09 Hallsensor


Video der 16. Vorlesung Schaltungstechnik 18.5.2021


Länge: 1:02:43
0:2:16 5.1 Power overview

0:4:26 5.2 Power converters

0:6:2 5.3 Need for converters

0:8:18 Load Regulation

0:11:30 Line Regulation

0:13:55 Wirkungsgrad, Efficiency

0:14:39 5.4 DC Power Distribution PC

0:19:20 5.5 Types of Converters

0:24:20 DRAM power grid

0:29:30 Power on sequence

0:35:50 Linear regler, standard and LDO

0:37:0 5.7 Pros and Cons

0:41:4 Beispiel Längsregler (Linearregler)

0:49:10 Diskussion Ergebnis

0:52:35 Welligkeit, ripple

0:55:0 5.9 Board space

0:57:44 5.11 PFET as pass device

1:1:40 5.13 Freilaufdiode

1:2:44 5.15 Stabilität

1:5:20 LTSPICE Praktikumsschaltung

1:11:20 Laständerung am Ausgang

1:13:28 Load regulation LoR = 30mV/300mA = 0.1 Ohm

1:15:55 Spannungsverlauf bei Laständerung

1:18:40 Stabilität

Start

Power


Sie können Spannungsversorgungen klassifizieren und kennen die 4 Betriebszustände einer Schaltung.
Sie kennen die Schaltungstopologie eines Längsreglers und können Line Regulation, Power efficiency und Lastausregelung bestimmen (Theory, Simulation, Aufbau und Messung).

Unit 5, 1-21

Overview of power management fundamentals and topologies, Texas Instruments

Power Conversion Motivation


Welche Beispiele kennen Sie?
Welche Spannungserzeugung, Spannungsversorgung und Spannungsübertragung gibt es?
Welche Lasten gibt es?
Welche Wandler gibt es?

    Quellen: Batterie, Generator, Solarzelle
    Last: Motor (AC, DC), LED, analog and digital IC, uC, Speakers

  • Steckdose (AC), Netzteil, Laptop (DC), Lampe (AC,DC)
  • Steckdose (AC), USB Ladegerät, Handy, Akku (DC)
  • Steckdose (AC), Labornetzteil, Regelbare Spannung DC
  • Umspannwerk (AC/AC)
  • Photovoltaik (DC in, DC/AC out)

Klassifikation


AC to AC conversion:


Transformator

AC to DC conversion


Boost, Flyback

DC to DC conversion


Linearregler (Vout < Vin)
Buck (Vout < Vin)
Boost (Vout > Vin)
Ladungspumpe

DC to AC conversion


Inverter

Introduction to power Topologies

Begriffe


Statisch



Dynamisch



Ideal power conversion:
Vin · Iin = Vout · Iout

Example: Vin = 2 V, Vout = 4 V, Iout = 100 mA
Calculate Iin.
Iin = 200 mA

Power System


  • Haushalt
  • PC

Power grid: DRAM example


  • Siemens, Infineon, Qimonda
    DRAM memory chips
    1994-2010, 0.35µm..50nm

Power grid: DRAM example


There are separate power supply pins for the data input and outputs (IO).
The number of power pins is proportional to the number of IOs.
There are separate grids for digital and analog circuits.
Horizontal and vertical lines are connected to a grid and provide power.

The block diagram shows different voltages in different colors in different areas.
Voltage pumps and regulators are shown in grey.
A bandgap reference circuit provides temperature and voltage independent voltages.

Power on sequence: DRAM



DRAM internal voltages and power on sequence.
A low array voltage is used to save power.
A negative back bias is needed reducing memory cell leakage current.
A high voltage Vpp gives the select transistor overdrive to store the full Vblh level in the memory cell.
Vint is optimized for speed and to be able to drive the IOs.
A high current peak, when power is turned on, has to be avoided.
All capacitances will be charged up at power up.

Analyse der Betriebszustände einer Schaltung



Linearregler LTSPICE



Analysieren Sie die dargestellte Schaltung.
Welche Bauteile oder Grundschaltungen erkennen Sie und welche Funktion haben diese?

Der Regler kann durch Aktivierung des Transistors MP1 die Ausgangsspannung erhöhen.
Eine Überspannung am Ausgang kann der Regler nicht kompensieren.

Berechnung der Ausgangsspannung:
\( V_{out} = V_{ref}\frac{R_2 + R_3}{R_3}\)

Untersuchung der Line Regulation (LiR) in folgendem Arbeitspunkt: I = 100 mA, R = 33 Ω

\( LiR = \frac{\delta V_{out}}{ \delta V_{in}} = \frac{3.26 - 3.18}{ 12 - 6 } = 1.3 \% \)

Die Eingangsspannung wird von 12 V auf 6 V in der Simulation (.dc ) verändert und die Ausgangsspannung beobachtet.
Woher kommt die Änderung?

Power Efficiency (Eta): \( \eta = \frac{V_{out} \cdot I_{out}}{V_{in} \cdot I_{in}} \)
In der Schaltungssimulation werden die Spannungen und Ströme gemessen.

η (Vin = 6 V) = 49.6%

Warum ist der Wirkungsgrad so niedrig?

Lastausregelung (Load regulation, LoR)
\( LoR = \frac{\delta V_{out}}{ \delta I_{out}} \)
Die Spannungsquelle Vload am Ausgang wird in der Zeitsimulation (.tran) von 0 V auf 3.26 V geändert.
dI = 100 mA
dVout = 3.257 V - 3.247 V = 10 mV
LoR = 0.1 Ω
Man sieht den Ausgangswiderstand R6.

R6 zwischen Vx und Vout verhindert Schwingung.

Präzisonsspannungsquelle: TL431

Nachdenken über die Lösung

  • Startpunkt sollte immer eine funktionierende Schaltung sein:
    Hardware, Messung, Simulation, Rechnung
  • Messung, Simulation und Rechnung sollten übereinstimmen.
  • Der Anwendungsfall und Variationen bestätigen das Verständnis.
  • Schaltungsverbesserungen können durchgeführt werden.

Fragestellungen



Zusammenfassung und nächste Vorlesung



Nächstes Mal