Κατανόηση χαμηλή

Σήμερα, οι ηλεκτρονικές συσκευές έχουν συρρικνωθεί σε μέγεθος από ποτέ. Αυτό μας επιτρέπει να συσκευάζουμε σε τόνους χαρακτηριστικών σε φορητές φορητές συσκευές όπως έξυπνα ρολόγια, όργανα γυμναστικής και άλλες φορητές συσκευές, μας βοηθά επίσης να αναπτύξουμε απομακρυσμένες συσκευές IoT για παρακολούθηση βοοειδών, παρακολούθηση περιουσιακών στοιχείων κ.λπ. Ένα κοινό πράγμα μεταξύ όλων αυτών των φορητών συσκευών είναι ότι λειτουργούν με μπαταρία. Και όταν μια συσκευή λειτουργεί με μπαταρία, είναι σημαντικό για τους μηχανικούς σχεδιασμού να επιλέγουν εξαρτήματα που εξοικονομούν κάθε milli-volt στο σχεδιασμό τους για να λειτουργούν τη συσκευή για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα με τον διαθέσιμο χυμό μπαταρίας. Μόλις ένα τέτοιο στοιχείο είναι το Low-Dropout Voltage Regulator (LDO). Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε περισσότερα για το LDO και πώς να επιλέξουμε το σωστό για το σχεδιασμό του κυκλώματός σας.

Τι είναι ο Ρυθμιστής στα ηλεκτρονικά;

Ένας ρυθμιστής είναι μια συσκευή ή ένας καλά σχεδιασμένος μηχανισμός που ρυθμίζει κάτι, εδώ κάτι συνήθως αναφέρεται στην τάση του ρεύματος. Υπάρχουν δύο τύποι ρυθμιστών που χρησιμοποιούνται κυρίως στα ηλεκτρονικά, ο πρώτος είναι ο ρυθμιστής εναλλαγής και ο δεύτερος είναι ο γραμμικός ρυθμιστής. Και οι δύο έχουν διαφορετική αρχιτεκτονική και υποσύστημα εργασίας, αλλά δεν θα τα συζητήσουμε σε αυτό το άρθρο. Αλλά για να το θέσω απλό, εάν ένας ρυθμιστής ελέγχει το ρεύμα εξόδου, τότε ονομάζεται τρέχων ρυθμιστής. Από την ίδια άποψη, οι ρυθμιστές τάσης χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο της τάσης.

Διαφορά μεταξύ LDO και Linear Regulators

Οι γραμμικοί ρυθμιστές είναι οι πιο συνηθισμένες συσκευές που χρησιμοποιούνται για τη ρύθμιση της τροφοδοσίας και οι περισσότεροι από εμάς θα εξοικειωθούμε με συσκευές όπως το 7805, LM317. Αλλά, το μειονέκτημα της χρήσης ενός γραμμικού ρυθμιστή σε εφαρμογές που λειτουργούν με μπαταρία είναι ότι εδώ η τάση εισόδου ενός γραμμικού ρυθμιστή είναι πάντα απαραίτητη για να είναι υψηλότερη από τη ρυθμιζόμενη τάση εξόδου. Δηλαδή, οι διαφορές μεταξύ των τάσεων εισόδου και της τάσης εξόδου είναι υψηλές. Επομένως, οι τυπικοί γραμμικοί ρυθμιστές έχουν ορισμένους περιορισμούς όταν η ρυθμιζόμενη τάση εξόδου απαιτείται να είναι μια στενή τιμή της τάσης εισόδου.

Εργασία ενός LDO

Το LDO είναι μέρος της γραμμικής δυναστείας των ρυθμιστών. Όμως, σε αντίθεση με τους κανονικούς γραμμικούς ρυθμιστές, σε ένα LDO η διαφορά μεταξύ της τάσης εισόδου και της τάσης εξόδου είναι μικρότερη. Αυτή η διαφορά ονομάζεται τάση εγκατάλειψης. Δεδομένου ότι το LDO έχει πολύ χαμηλή τάση εγκατάλειψης ονομάζεται ρυθμιστής χαμηλής τάσης εγκατάλειψης. Μπορείτε να σκεφτείτε μια LDO μια γραμμική αντίσταση παλεμένη σε σειρά με το φορτίο για να μειώσετε την τάση στο απαιτούμενο επίπεδο. Το πλεονέκτημα της ύπαρξης LDO είναι ότι η πτώση της τάσης θα είναι πολύ μικρότερη από μια αντίσταση.

Δεδομένου ότι το LDO προσφέρει χαμηλή τάση διακοπής μεταξύ εισόδου και εξόδου, μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και αν η τάση εισόδου είναι σχετικά κοντά στην τάση εξόδου. Η πτώση τάσης σε ένα LDO θα κυμαίνεται μεταξύ 300mV και 1,5V το μέγιστο. Σε ορισμένα LDO, οι διαφορές τάσης είναι ακόμη μικρότερες από 300mV.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει μια απλή κατασκευή LDO όπου έχει σχεδιαστεί ένα σύστημα κλειστού βρόχου. Δημιουργείται τάση αναφοράς από την τάση εισόδου και τροφοδοτείται σε διαφορικό ενισχυτή. Η τάση εξόδου ανιχνεύεται από ένα διαχωριστικό τάσης και τροφοδοτείται πάλι στον πείρο εισόδου του διαφορικού ενισχυτή. Ανάλογα με αυτές τις δύο τιμές, την έξοδο από την τάση αναφοράς και την έξοδο από το διαχωριστικό τάσης, ο ενισχυτής παράγει έξοδο. Αυτή η έξοδος ελέγχει τη μεταβλητή αντίσταση. Ως εκ τούτου, οποιαδήποτε τιμή από αυτά τα δύο θα μπορούσε να αλλάξει την έξοδο του ενισχυτή. Εδώ απαιτείται η αναφορά τάσης για να είναι σταθερή για την ακριβή ανίχνευση του άλλου. Όταν η τάση αναφοράς είναι σταθερή, μια μικρή παραλλαγή της τάσης εξόδου αντανακλά την είσοδο του διαφορικού ενισχυτή μέσω του διαχωριστή αντίστασης.Ο ενισχυτής ελέγχει έπειτα τη μεταβλητή αντίσταση για να παρέχει μια σταθερή έξοδο. Από την άλλη πλευρά, η αναφορά τάσης δεν εξαρτάται από την τάση εισόδου και παρέχει σταθερή αναφορά στον διαφορικό ενισχυτή, καθιστώντας το άνοσο στις μεταβατικές αλλαγές και επίσης κάνειτάση εξόδου ανεξάρτητα από την τάση εισόδου. Η μεταβλητή αντίσταση που εμφανίζεται εδώ θα αντικατασταθεί κανονικά από ένα αποτελεσματικό MOSFET ή JFET στην πραγματική κατασκευή. Τα διπολικά τρανζίστορ δεν χρησιμοποιούνται σε LDO λόγω των επιπλέον απαιτήσεων της παραγωγής ρεύματος και θερμότητας που οδηγούν σε κακή απόδοση.

Παράμετροι που πρέπει να λάβετε υπόψη κατά την επιλογή του LDO σας

Βασικά χαρακτηριστικά

Δεδομένου ότι είναι μια βασική συσκευή για τη διασφάλιση της σωστής παροχής ισχύος στο φορτίο, το πρώτο βασικό χαρακτηριστικό είναι η ρύθμιση φορτίου και η σταθερή έξοδος. Η σωστή ρύθμιση φορτίου είναι απαραίτητη κατά τις αλλαγές ρεύματος φορτίου. Όταν το φορτίο αυξάνει ή μειώνει την τρέχουσα κατανάλωση, η τάση εξόδου από το ρυθμιστή δεν πρέπει να κυμαίνεται. Η διακύμανση της τάσης εξόδου μετράται σε εύρος mV ανά αμπέρ ρεύματος και ονομάζεται ακρίβεια. Η ακρίβεια τάσης εξόδου ενός LDO κυμαίνεται από 5mV έως 50mV εύρος, μερικά ποσοστά της τάσης εξόδου.

Χαρακτηριστικά ασφάλειας και προστασίας

Το LDO προσφέρει βασικά χαρακτηριστικά ασφαλείας διασφαλίζοντας τη σωστή παροχή ισχύος σε όλη την έξοδο. Τα χαρακτηριστικά ασφαλείας προσαρμόζονται χρησιμοποιώντας κύκλωμα προστασίας κατά την είσοδο και την έξοδο. Τα κυκλώματα προστασίας είναι Προστασία κάτω από την τάση (UVLO), Προστασία από υπερβολική τάση (OVLO), Προστασία από υπερτάσεις, προστασία βραχυκυκλώματος εξόδου και θερμική προστασία.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η τάση εισόδου που παρέχεται στον ρυθμιστή ενδέχεται να μειωθεί σημαντικά χαμηλά ή να αυξηθεί σε υψηλή τιμή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ακατάλληλη έξοδο τάσης και ρεύματος από το LDO που θα καταστρέψει το φορτίο μας. Εάν η τάση εισόδου πέρα ​​από το LDO είναι πέρα ​​από τα όρια, ενεργοποιείται η προστασία UVLO και OVLO για την προστασία του LDO και του φορτίου. Το κατώτερο όριο για UVLO και τα μέγιστα όρια τάσης εισόδου μπορούν να οριστούν χρησιμοποιώντας απλούς διαχωριστές τάσης.

Το κύκλωμα προστασίας από υπερτάσεις προσφέρει ασυλίες στο LDO από μεταβατικά και υπερτάσεις υψηλής τάσης ή αιχμές. Είναι επίσης ένα πρόσθετο χαρακτηριστικό που προσφέρεται από διαφορετικά LDO. Η προστασία βραχυκυκλώματος εξόδου είναι μια μορφή προστασίας από ρεύματα. Εάν βραχυκυκλωθεί το φορτίο, η λειτουργία προστασίας βραχυκυκλώματος ενός LDO αποσυνδέει το φορτίο από την τροφοδοσία εισόδου. Η θερμική προστασία λειτουργεί όταν το LDO θερμαίνεται. Κατά τη λειτουργία θέρμανσης, το κύκλωμα θερμικής προστασίας σταματά το LDO από το να λειτουργήσει για να αποφευχθεί οποιαδήποτε περαιτέρω ζημιά σε αυτό.

Επιπρόσθετα χαρακτηριστικά

Τα LDO μπορούν να έχουν δύο επιπλέον πείρους ελέγχου επιπέδου λογικής για επικοινωνία με είσοδο μικροελεγκτή. Ενεργοποίηση ακίδας που συχνά αναφέρεται ως EN και αυτός είναι ένας ακροδέκτης εισόδου του LDO. Ένας απλός μικροελεγκτής μπορεί να αλλάξει την κατάσταση του EN pin ενός LDO για να ενεργοποιήσει ή να απενεργοποιήσει την έξοδο ισχύος. Αυτό είναι ένα εύχρηστο χαρακτηριστικό όταν τα φορτία πρέπει να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν για σκοπούς εφαρμογής.

Το Power Good pin είναι ένας ακροδέκτης εξόδου από το LDO. Αυτός ο ακροδέκτης μπορεί επίσης να συνδεθεί με μια μονάδα μικροελεγκτή για να παρέχει λογική χαμηλή ή υψηλή ανάλογα με την κατάσταση ισχύος. Με βάση την ακίδα καλής ισχύος, η μονάδα μικροελεγκτή μπορεί να λάβει τις πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση ισχύος σε ολόκληρο το LDO.

Περιορισμοί του LDO

Αν και το LDO προσφέρει σωστή έξοδο σε χαμηλή τάση εγκατάλειψης, εξακολουθεί να έχει κάποιους περιορισμούς. Ο κύριος περιορισμός του LDO είναι η αποδοτικότητα. Είναι αλήθεια ότι το LDO είναι καλύτερο από τους τυπικούς γραμμικούς ρυθμιστές όσον αφορά την απορρόφηση ισχύος και την απόδοση, αλλά εξακολουθεί να είναι μια κακή επιλογή για τις φορητές λειτουργίες που σχετίζονται με τη μπαταρία, όπου η απόδοση είναι το κύριο μέλημα. Η απόδοση γίνεται ακόμη χαμηλότερη εάν η τάση εισόδου είναι σημαντικά υψηλότερη από την τάση εξόδου. Η απαγωγή θερμότητας αυξάνεται όταν η πτώση τάσης είναι υψηλότερη. Η περίσσεια απορριμμάτων ενέργειας που μετατρέπεται ως θερμότητα και απαιτεί ψύκτρα, είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της επιφάνειας PCB καθώς και την επιβάρυνση του κόστους. Για καλύτερη απόδοση, οι ρυθμιστές εναλλαγής εξακολουθούν να είναι η καλύτερη επιλογή έναντι των γραμμικών ρυθμιστών, ιδίως των LDO.

Πρέπει να χρησιμοποιήσω το LDO για το επόμενο σχέδιό μου;

Καθώς τα LDO προσφέρουν πολύ χαμηλή τάση εγκατάλειψης, είναι καλό να επιλέξετε ένα LDO μόνο όταν η επιθυμητή τάση εξόδου είναι πολύ κοντά στην διαθέσιμη τάση εισόδου. Οι παρακάτω ερωτήσεις μπορούν να σας βοηθήσουν να προσδιορίσετε εάν ο σχεδιασμός κυκλώματος χρειάζεται πραγματικά ένα LDO

1. Είναι η επιθυμητή τάση εξόδου κοντά στην διαθέσιμη τάση εισόδου; Εάν ναι, τότε πόσο; Είναι καλό να χρησιμοποιείτε LDO εάν η διαφορά μεταξύ τάσης εισόδου και τάσης εξόδου είναι μικρότερη από 300mV
2. Είναι αποδεκτό το 50-60% της αποδοτικότητας για την επιθυμητή εφαρμογή;
3. Η παροχή χαμηλού θορύβου είναι ανάγκη;
4. Εάν το κόστος είναι πρόβλημα και απλό, χαμηλότερο μέρος, απαιτείται λύση εξοικονόμησης χώρου.
5. Θα είναι πολύ ακριβό και ογκώδες για να προσθέσετε ένα κύκλωμα μεταγωγής;

Εάν έχετε απαντήσει "ΝΑΙ" για όλες τις παραπάνω ερωτήσεις, τότε το LDO μπορεί να είναι μια καλή επιλογή. Αλλά, ποια θα είναι η προδιαγραφή του LDO; Λοιπόν, εξαρτάται από τις παρακάτω παραμέτρους.

• Τάση εξόδου.
• Ελάχιστη και μέγιστη τάση εισόδου.
• Ρεύμα εξόδου.
• Πακέτο των LDO.
• Το κόστος και η διαθεσιμότητα.
• Απαιτείται η επιλογή Ενεργοποίηση και Απενεργοποίηση ή όχι.
• Πρόσθετες επιλογές προστασίας που απαιτούνται για την εφαρμογή. Όπως Over current protection, UVLO και OVLO, κ.λπ.

Δημοφιλή LDO στην αγορά

Κάθε μεμονωμένος κατασκευαστής IC όπως η Texas Instruments, η Linear Technology κ.λπ. έχει επίσης κάποιες λύσεις για το LDO Η Texas Instruments έχει ένα ευρύ φάσμα LDO ανάλογα με τις διάφορες ανάγκες του σχεδιασμού, το παρακάτω γράφημα δείχνει την τεράστια συλλογή του LDO με ένα ευρύ φάσμα ρεύματος εξόδου και τάσης εισόδου.

Ομοίως, η τεχνολογία γραμμικής, από αναλογικές συσκευές έχει επίσης κάποιους ρυθμιστές χαμηλής απόδοσης υψηλής απόδοσης.

LDO - Παράδειγμα σχεδίασης

Ας εξετάσουμε μια πρακτική περίπτωση στην οποία το LDO θα είναι υποχρεωτικό. Ας υποθέσουμε ότι απαιτείται μια χαμηλού κόστους, απλή λύση εξοικονόμησης χώρου για τη μετατροπή της εξόδου μπαταρίας λιθίου 3.7V σε σταθερή πηγή 3.3V 500mA με βραχύ όριο ρεύματος και θερμική προστασία. Η λύση ισχύος πρέπει να συνδεθεί με έναν μικροελεγκτή για να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί κάποιο φορτίο και η απόδοση μπορεί να είναι 50-60%. Δεδομένου ότι χρειαζόμαστε μια απλή και χαμηλού κόστους λύση, μπορούμε να αποκλείσουμε τα σχέδια ρυθμιστή εναλλαγής.

Μια μπαταρία λιθίου μπορεί να παρέχει 4.2V σε κατάσταση πλήρους φόρτισης και 3,2V σε κατάσταση εντελώς άδειου. Επομένως, το LDO μπορεί να ελεγχθεί για να αποσυνδέσει το φορτίο σε κατάσταση χαμηλής τάσης, ανιχνεύοντας την τάση εισόδου του LDO από τη μονάδα μικροελεγκτή.

Για να μετρήσουμε χρειαζόμαστε, τάση εξόδου 3.3V, τρέχον 500mA, επιλογή Ενεργοποίηση ακίδων, χαμηλές μετρήσεις εξαρτημάτων, απαιτήσεις εγκατάλειψης περίπου 300-400 mV, προστασία βραχυκυκλώματος εξόδου μαζί με λειτουργία θερμικού τερματισμού, για αυτήν την εφαρμογή η προσωπική μου επιλογή LDO είναι MCP1825 - Ρυθμιστής σταθερής τάσης 3.3V από μικροτσίπ.

Η πλήρης λίστα χαρακτηριστικών μπορεί να δει στην παρακάτω εικόνα, από το φύλλο δεδομένων -

Παρακάτω είναι το διάγραμμα κυκλώματος του MCP1825 μαζί με το pin-out. Το σχηματικό παρέχεται επίσης στο δελτίο δεδομένων, συνεπώς απλά συνδέοντας λίγα εξωτερικά εξαρτήματα όπως η αντίσταση και ο πυκνωτής μπορούμε εύκολα να χρησιμοποιήσουμε το LDO μας για να ρυθμίσουμε την απαιτούμενη τάση με την ελάχιστη τάση.

Οδηγίες σχεδίασης LDO - PCB

Μόλις αποφασίσετε το LDO και το δοκιμάσετε για να λειτουργεί για το σχέδιό σας, μπορείτε να προχωρήσετε στο σχεδιασμό του PCB για το κύκλωμα σας. Ακολουθούν οι μερικές συμβουλές που πρέπει να θυμάστε κατά το σχεδιασμό ενός PCB για εξαρτήματα LDO.

1. Εάν χρησιμοποιείται πακέτο SMD, είναι απαραίτητο να παρέχεται μια κατάλληλη περιοχή χαλκού στα PCB καθώς οι LDO διαχέουν θερμότητα.
2. Το πάχος του χαλκού συμβάλλει σημαντικά στη λειτουργία χωρίς προβλήματα. Το πάχος χαλκού 2 Oz (70um) θα είναι μια καλή επιλογή.
3. Οι C1 και C2 πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στο MCP1825.
4. Το παχύ επίπεδο γείωσης απαιτείται για θέματα θορύβου σχετίζονται.
5. Χρησιμοποιήστε το Vias για σωστή απαγωγή θερμότητας σε PCB διπλής όψης.