Zrozumienie niskiego

Obecnie urządzenia elektroniczne skurczyły się niż kiedykolwiek wcześniej. Dzięki temu możemy spakować mnóstwo funkcji w kompaktowych urządzeniach przenośnych, takich jak inteligentne zegarki, urządzenia do monitorowania kondycji i inne urządzenia do noszenia, a także pomaga nam wdrażać zdalne urządzenia IoT do monitorowania bydła, śledzenia zasobów itp. Jedna wspólna cecha wszystkich tych urządzeń przenośnych. polega na tym, że działają na baterie. A kiedy urządzenie jest zasilane z baterii, projektanci powinni wybrać komponenty, które oszczędzają każdy mili wolt w ich konstrukcji, aby dłużej działały z dostępnym sokiem z baterii. Kiedyś takim elementem jest regulator napięcia o niskim spadku (LDO). W tym artykule dowiemy się więcej o LDO i jak wybrać odpowiedni do projektu obwodu.

Co to jest regulator w elektronice?

Regulator to urządzenie lub dobrze zaprojektowany mechanizm, który coś reguluje, tutaj coś zwykle odnosi się do napięcia prądu. Istnieją dwa typy regulatorów stosowane głównie w elektronice, pierwszy to regulator przełączający, a drugi to regulator liniowy. Oba mają inną działającą architekturę i podsystem, ale nie będziemy ich omawiać w tym artykule. Mówiąc prosto, jeśli regulator steruje prądem wyjściowym, nazywa się go regulatorem prądu. Z tego samego powodu regulatory napięcia służą do sterowania napięciem.

Różnica między LDO i regulatorami liniowymi

Regulatory liniowe są najczęściej używanymi urządzeniami do regulacji zasilania i większości z nas będą bliżej znane urządzenia takie jak 7805, LM317. Jednak wadą stosowania regulatora liniowego w zastosowaniach zasilanych bateryjnie jest to, że tutaj napięcie wejściowe regulatora liniowego zawsze musi być wyższe niż regulowane napięcie wyjściowe. Oznacza to, że różnice między napięciami wejściowymi a wyjściowymi są duże. Dlatego standardowe regulatory liniowe mają pewne ograniczenia, gdy wymagane jest, aby regulowane napięcie wyjściowe było zbliżoną wartością napięcia wejściowego.

Działanie LDO

LDO jest częścią dynastii regulatorów liniowych. Ale w przeciwieństwie do zwykłych regulatorów liniowych, w LDO różnica między napięciem wejściowym a napięciem wyjściowym jest mniejsza. Ta różnica jest nazywana napięciem zaniku napięcia. Ponieważ LDO ma bardzo niskie napięcie zaniku, nazywa się go regulatorami napięcia niskiego zaniku. Możesz pomyśleć o LDO - rezystorze liniowym połączonym szeregowo z obciążeniem, aby zmniejszyć napięcie do wymaganego poziomu. Zaletą posiadania LDO jest to, że spadek napięcia na nim będzie znacznie mniejszy niż w przypadku rezystora.

Ponieważ LDO oferuje niski spadek napięcia między wejściem a wyjściem, może działać nawet wtedy, gdy napięcie wejściowe jest stosunkowo bliskie napięciu wyjściowemu. Spadek napięcia na LDO będzie wynosić maksymalnie od 300 mV do 1,5 V. W niektórych LDO różnice napięć są nawet mniejsze niż 300mV.

Powyższy obraz przedstawia prostą konstrukcję LDO, w której zaprojektowano system z zamkniętą pętlą. Napięcie odniesienia jest wytwarzane z napięcia wejściowego i podawane do wzmacniacza różnicowego. Napięcie wyjściowe jest wykrywane przez dzielnik napięcia i ponownie podawane na styk wejściowy wzmacniacza różnicowego. W zależności od tych dwóch wartości, wyjścia z napięcia odniesienia i wyjścia z dzielnika napięcia, wzmacniacz wytwarza moc. To wyjście steruje rezystorem zmiennym. Dlatego każda wartość z tych dwóch mogłaby zmienić moc wyjściową wzmacniacza. Tutaj napięcie odniesienia jest potrzebne, aby było stabilne, aby dokładnie wykryć drugie. Gdy napięcie odniesienia jest stabilne, niewielka zmiana napięcia wyjściowego odbija się na wejściu wzmacniacza różnicowego przez dzielnik rezystorowy.Następnie wzmacniacz steruje rezystorem zmiennym, aby zapewnić stabilne wyjście. Z drugiej strony napięcie odniesienia nie jest zależne od napięcia wejściowego i zapewnia stabilne odniesienie na wzmacniaczu różnicowym, czyniąc go odpornym na zmiany przejściowe, a także sprawia, żenapięcie wyjściowe niezależne od napięcia wejściowego. Pokazany tutaj rezystor zmienny będzie zwykle zastępowany wydajnym MOSFETem lub JFETem w konstrukcji rzeczywistej. Tranzystory bipolarne nie są używane w LDO ze względu na dodatkowe wymagania dotyczące wytwarzania prądu i ciepła, co prowadzi do niskiej wydajności.

Parametry do rozważenia przy wyborze LDO

Podstawowe funkcje

Ponieważ jest to niezbędne urządzenie zapewniające właściwe dostarczanie mocy do obciążenia, pierwszą kluczową cechą jest regulacja obciążenia i stabilna moc wyjściowa. Właściwa regulacja obciążenia jest niezbędna podczas zmian prądu obciążenia. Gdy obciążenie zwiększa lub zmniejsza pobór prądu, napięcie wyjściowe z regulatora nie powinno zmieniać się. Wahania napięcia wyjściowego są mierzone w zakresie mV na amper prądu i określane jako dokładności. Dokładność napięcie wyjściowe z LDO zakresie od 5 mV do zakresu 50mV, kilka procentów napięcia wyjściowego.

Funkcje bezpieczeństwa i ochrony

LDO oferuje podstawowe funkcje bezpieczeństwa, zapewniając właściwe dostarczanie mocy na wyjściu. Funkcje bezpieczeństwa są uwzględnione za pomocą obwodów zabezpieczających na wejściu i wyjściu. Obwody ochronne to ochrona podnapięciowa (UVLO), ochrona przeciwprzepięciowa (OVLO), ochrona przeciwprzepięciowa, ochrona przed zwarciem wyjścia i ochrona termiczna.

W niektórych sytuacjach napięcie wejściowe dostarczane do regulatora może znacznie spaść lub wzrosnąć do wysokiej wartości. Skutkuje to niewłaściwym wyjściem napięcia i prądu z LDO, co spowoduje uszkodzenie naszego obciążenia. Jeśli napięcie wejściowe na LDO przekracza limity, aktywowane są zabezpieczenia UVLO i OVLO w celu ochrony LDO i obciążenia. Dolną granicę dla UVLO i maksymalne wartości graniczne napięcia wejściowego można ustawić za pomocą prostych dzielników napięcia.

Obwód przeciwprzepięciowy zapewnia odporność LDO na stany nieustalone i przepięcia wysokiego napięcia lub skoki napięcia. Jest to również dodatkowa funkcja oferowana przez różne LDO. Zabezpieczenie przed zwarciem wyjścia jest formą zabezpieczenia nadprądowego. W przypadku zwarcia obciążenia funkcja zabezpieczenia przeciwzwarciowego LDO odłącza obciążenie od zasilania wejściowego. Zabezpieczenie termiczne działa, gdy LDO się nagrzewa. Podczas nagrzewania obwód zabezpieczenia termicznego zatrzymuje pracę LDO, aby zapobiec dalszemu uszkodzeniu.

Dodatkowe funkcje

LDO mogą mieć dwa dodatkowe styki sterujące poziomem logiki do komunikacji z wejściem mikrokontrolera. Włącz pin często nazywany EN i jest to pin wejściowy LDO. Prosty mikrokontroler może zmienić stan pinu EN LDO, aby włączyć lub wyłączyć wyjście zasilania. Jest to przydatna funkcja, gdy obciążenia muszą być włączane lub wyłączane do celów aplikacji.

Power Good pin to pin wyjściowy z LDO. Ten pin może być również połączony z jednostką mikrokontrolera, aby zapewnić stan logiczny niski lub wysoki w zależności od stanu zasilania. W oparciu o stan dobrego pinu zasilania, mikrokontroler może uzyskać informacje o stanie zasilania w LDO.

Ograniczenia LDO

Chociaż LDO zapewnia odpowiednią moc wyjściową przy niskim napięciu zaniku, nadal ma pewne ograniczenia. Głównym ograniczeniem LDO jest wydajność. Prawdą jest, że LDO jest lepszy od standardowych regulatorów liniowych pod względem rozpraszania mocy i wydajności, ale nadal jest złym wyborem w przypadku operacji związanych z przenośnymi akumulatorami, w których wydajność jest głównym problemem. Sprawność spada nawet, jeśli napięcie wejściowe jest znacznie wyższe niż napięcie wyjściowe. Rozpraszanie ciepła wzrasta, gdy spadek napięcia jest większy. Nadmiar energii odpadowej, która jest przekształcana w ciepło i wymaga radiatora, spowodował wzrost powierzchni PCB, a także koszt podzespołów. Aby zapewnić lepszą wydajność, regulatory przełączające są nadal najlepszym wyborem w porównaniu z regulatorami liniowymi, zwłaszcza LDO.

Czy powinienem używać LDO do następnego projektu?

Ponieważ LDO oferują bardzo niskie napięcie zaniku, dobrze jest wybrać LDO tylko wtedy, gdy pożądane napięcie wyjściowe jest bardzo zbliżone do dostępnego napięcia wejściowego. Poniższe pytania mogą pomóc w określeniu, czy projekt obwodu faktycznie wymaga LDO

1. Czy żądane napięcie wyjściowe jest zbliżone do dostępnego napięcia wejściowego? Jeśli tak, to ile? Dobrze jest używać LDO, jeśli różnica między napięciem wejściowym a wyjściowym jest mniejsza niż 300 mV
2. Czy dla żądanej aplikacji akceptowane jest 50-60% wydajności?
3. Czy potrzebujesz zasilacza o niskim poziomie hałasu?
4. Jeśli problemem jest koszt i prosta, mniejsza liczba części, potrzebne jest rozwiązanie oszczędzające miejsce.
5. Czy dodanie obwodu przełączającego będzie zbyt drogie i nieporęczne?

Jeśli odpowiedziałeś „TAK” na wszystkie powyższe pytania, LDO może być dobrym wyborem. Ale jaka będzie specyfikacja LDO? Cóż, zależy to od poniższych parametrów.

• Napięcie wyjściowe.
• Minimalne i maksymalne napięcie wejściowe.
• Prąd wyjściowy.
• Pakiet LDO.
• Koszt i dostępność.
• Opcja Włącz i Wyłącz jest wymagana lub nie.
• Dodatkowe opcje ochrony, które są wymagane dla aplikacji. Takie jak ochrona przed przepięciem, UVLO i OVLO itp.

Popularne na rynku LDO

Każdy producent układów scalonych mocy, taki jak Texas Instruments, Linear Technology itp., Również ma pewne rozwiązania dla LDO. Texas Instruments ma szeroką gamę LDO w zależności od różnych potrzeb projektowych, poniższy wykres przedstawia ogromny zbiór LDO z szerokim zakresem prądu wyjściowego i napięcia wejściowego.

Podobnie, technologia liniowa z urządzeń Analog ma również pewne wysokowydajne regulatory niskiego spadku.

LDO - przykładowy projekt

Rozważmy praktyczny przypadek, w którym LDO będzie obowiązkowe. Załóżmy, że potrzebne jest tanie, proste i zajmujące niewiele miejsca rozwiązanie do konwersji wyjścia baterii litowej 3,7 V na stabilne źródło 3,3 V 500 mA z krótkim ograniczeniem prądu i ochroną termiczną. Rozwiązanie zasilające musi być połączone z mikrokontrolerem, aby włączyć lub wyłączyć pewne obciążenie, a wydajność może wynosić 50-60%. Ponieważ potrzebujemy prostego i taniego rozwiązania, możemy wykluczyć konstrukcje regulatorów przełączających.

Bateria litowa może zapewnić 4,2 V przy pełnym naładowaniu i 3,2 V przy całkowicie rozładowanym stanie. Dlatego LDO może być sterowane tak, aby odłączać obciążenie w sytuacji niskiego napięcia poprzez wykrywanie napięcia wejściowego LDO przez moduł mikrokontrolera.

Podsumowując, potrzebujemy, napięcie wyjściowe 3,3 V, prąd 500 mA, opcja włączania pinów, mała liczba części, wymagania dotyczące zaniku około 300-400 mV, zabezpieczenie przed zwarciem na wyjściu wraz z funkcją wyłączania termicznego, dla tej aplikacji moim osobistym wyborem LDO jest MCP1825 - Stały regulator napięcia 3,3 V przez mikroprocesor.

Pełną listę funkcji można zobaczyć na poniższym obrazku, pobranym z arkusza danych -

Poniżej znajduje się schemat obwodu MCP1825 wraz z wyprowadzeniami. Schemat znajduje się również w arkuszu danych, więc po prostu podłączając kilka elementów zewnętrznych, takich jak rezystor i kondensator, możemy łatwo użyć naszego LDO do regulacji wymaganego napięcia przy minimalnym napięciu dorp.

LDO - wytyczne projektowania PCB

Po zdefinio- waniu LDO i przetestowaniu go pod kątem działania w Twoim projekcie, możesz przystąpić do projektowania PCB dla swojego obwodu. Poniżej znajduje się kilka wskazówek, o których należy pamiętać podczas projektowania PCB dla komponentów LDO.

1. Jeśli używany jest pakiet SMD, konieczne jest zapewnienie odpowiedniego obszaru miedzi w PCB, ponieważ LDO rozpraszają ciepło.
2. Grubość miedzi jest głównym czynnikiem zapewniającym bezproblemową pracę. Grubość miedzi 2 uncje (70um) będzie dobrym wyborem.
3. C1 i C2 muszą znajdować się jak najbliżej MCP1825.
4. Gruba płaszczyzna uziemienia jest wymagana w przypadku problemów z hałasem.
5. Użyj Vias do prawidłowego odprowadzania ciepła w dwustronnych PCB.