Розуміння низького

Сьогодні електронні пристрої зменшились у розмірах, ніж будь-коли раніше. Це дозволяє нам поєднувати тони функцій компактних портативних пристроїв, таких як розумні годинники, фітнес-трекери та інші пристрої, що носяться, а також допомагає розгортати віддалені IoT-пристрої для моніторингу худоби, відстеження активів тощо. Одна спільна річ серед усіх цих портативних пристроїв полягає в тому, що вони працюють від батареї. І коли пристрій працює від батареї, для інженерів-конструкторів важливо вибрати компоненти, які зберігають кожен мілівольт у своїй конструкції, щоб триваліше працювати пристрій із наявним соком акумулятора. Одного разу таким компонентом є регулятор напруги з низьким викидом (LDO). У цій статті ми дізнаємось більше про LDO та про те, як вибрати правильний варіант для вашої схеми.

Що таке регулятор в електроніці?

Регулятор - це пристрій або добре продуманий механізм, який щось регулює, тут щось зазвичай відноситься до напруги струму. Є два типи регуляторів, які в основному використовуються в електроніці, перший - це імпульсний регулятор, а другий - лінійний регулятор. Вони обидва мають різну робочу архітектуру та підсистему, але ми не будемо обговорювати їх у цій статті. Але простіше кажучи, якщо регулятор контролює вихідний струм, то його називають регулятором струму. У тому ж аспекті регулятори напруги використовуються для управління напругою.

Різниця між LDO та лінійними регуляторами

Лінійні регулятори - найпоширеніші пристрої, що використовуються для регулювання джерела живлення, і більшість з нас будуть знайомі з такими пристроями, як 7805, LM317. Але недоліком використання лінійного регулятора в батареях є те, що тут вхідна напруга лінійного регулятора завжди повинна бути вище регульованої вихідної напруги. Це означає, що різниця між вхідними та вихідними напругами висока. Отже, стандартні лінійні регулятори мають деякі обмеження, коли регульована вихідна напруга повинна бути близьким значенням вхідної напруги.

Робота LDO

LDO є частиною династії лінійних регуляторів. Але, на відміну від звичайних лінійних регуляторів, у LDO різниця між вхідною та вихідною напругою менша. Ця різниця називається напругою відключення. Оскільки LDO має дуже низьку напругу відсіву, його називають регуляторами напруги низького рівня. Ви можете думати про LDO - це лінійний резистор, послідовно розміщений з навантаженням, щоб зменшити напругу до необхідного рівня. Перевагою наявності LDO є те, що падіння напруги на ньому буде набагато менше, ніж резистор.

Оскільки LDO пропонує низьку напругу відключення між входом і виходом, він може працювати, навіть якщо вхідна напруга є відносно близькою до вихідної напруги. Падіння напруги на LDO становитиме від 300 мВ до 1,5 В максимум. У деяких LDO різниця напруг навіть менше 300 мВ.

Наведене вище зображення демонструє просту конструкцію LDO, де розроблена система із замкнутим циклом. Опорна напруга створюється з вхідної напруги і подається на диференціальний підсилювач. Вихідна напруга визначається дільником напруги і знову подається на вхідний штифт диференціального підсилювача. Залежно від цих двох значень, вихід з опорної напруги і вихід з дільника напруги, підсилювач виробляє вихід. Цей вихід керує змінним резистором. Отже, будь-яке значення цих двох може змінити вихідний сигнал підсилювача. Тут опорна напруга потрібна, щоб бути стабільною, щоб точно відчути іншу. Коли опорна напруга стабільна, невелика зміна вихідної напруги відображається на вході диференціального підсилювача через резисторний дільник.Потім підсилювач управляє змінним резистором для забезпечення стабільного виходу. З іншого боку, опорна напруга не залежить від вхідної напруги і забезпечує стабільне опорне значення на диференціальному підсилювачі, роблячи його несприйнятливим до перехідних змін, а також робитьвихідна напруга не залежить від вхідної напруги. Показаний тут змінний резистор, як правило, замінюється ефективним MOSFET або JFET у власній конструкції. Біполярні транзистори не використовуються в LDO через додаткові вимоги до вироблення струму та тепла, що призводить до низької ефективності.

Параметри, які слід враховувати при виборі LDO

Основні характеристики

Оскільки це важливий пристрій для забезпечення належної подачі енергії до навантаження, першою ключовою особливістю є регулювання навантаження та стабільний вихід. Правильне регулювання навантаження є важливим під час зміни струму навантаження. При збільшенні або зменшенні навантаження споживання струму вихідна напруга регулятора не повинна коливатися. Коливання вихідної напруги вимірюється в діапазоні мВ на ампер струму і називається точністю. Точність вихідної напруги з LDO знаходиться в діапазон від 5 мВ до 50 мВ діапазону, в кілька відсотків від вихідної напруги.

Особливості безпеки та захисту

LDO пропонує основні функції безпеки, забезпечуючи належну подачу енергії через вихід. Функції безпеки розміщуються за допомогою схем захисту на вході та виході. Захисними ланцюгами є захист від низької напруги (UVLO), захист від перенапруги (OVLO), захист від перенапруги, захист від короткого замикання на виході та тепловий захист.

У деяких ситуаціях вхідна напруга, подана на регулятор, може впасти значно низько або збільшитися до великого значення. Це призводить до неправильного виходу напруги та струму від LDO, що може пошкодити наше навантаження. Якщо вхідна напруга на LDO перевищує обмеження, спрацьовує захист UVLO та OVLO для захисту LDO та навантаження. Нижню межу для UVLO та максимальну межу вхідної напруги можна встановити за допомогою простих дільників напруги.

Схема захисту від перенапруги забезпечує захист LDO від перехідних процесів та стрибків напруги або стрибків високої напруги. Це також додаткова функція, яку пропонують різні LDO. Захист вихідного короткого замикання є формою захисту від перевантаження по струму. Якщо навантаження замикається, функція захисту від короткого замикання LDO відключає навантаження від вхідного джерела живлення. Тепловий захист працює, коли LDO нагрівається. Під час роботи нагрівання контур термозахисту зупиняє роботу LDO, щоб запобігти подальшому пошкодженню.

Додаткові характеристики

LDO можуть мати два додаткові виводи керуючого логічного рівня для зв'язку з входом мікроконтролера. Увімкнути штифт, який часто називають EN, і це вхідний штифт LDO. Простий мікроконтролер може змінити стан виводу EN LDO, щоб увімкнути або вимкнути вихідну потужність. Це зручна функція, коли навантаження потрібно вмикати або вимикати для цілей застосування.

Штифт Power Good - вихідний штифт від LDO. Цей висновок також можна підключити до блоку мікроконтролера, щоб забезпечити низьку або високу логіку в залежності від стану потужності. Виходячи зі стану живлення, мікроконтролер може отримувати інформацію про стан живлення через LDO.

Обмеження LDO

Незважаючи на те, що LDO пропонує належний вихід при низькій напрузі відключення, все ж він має деякі обмеження. Основним обмеженням LDO є ефективність. Це правда, що LDO є кращим за стандартні лінійні регулятори з точки зору розсіювання потужності та ефективності, але це все ще є поганим вибором для переносних операцій, пов'язаних з батареями, де ефективність є головною проблемою. Ефективність стає навіть низькою, якщо вхідна напруга значно перевищує вихідну напругу. Відведення тепла збільшується, коли падіння напруги вище. Надлишок відпрацьованої енергії, яка перетворюється у вигляді тепла і вимагає радіатора, призвів до збільшення площі друкованої плати, а також несе витрати на компоненти. Для кращої ефективності комутаційні регулятори все ще є найкращим вибором серед лінійних регуляторів, особливо LDO.

Чи слід використовувати LDO для наступного проекту?

Оскільки LDO пропонують дуже низьку напругу відключення, добре вибрати LDO лише тоді, коли бажана вихідна напруга дуже близька до доступної вхідної напруги. Нижче наведені запитання допоможуть вам визначити, чи справді вам потрібна LDO для проектування ланцюга

1. Чи близька бажана вихідна напруга до доступної вхідної напруги? Якщо так, то скільки? Добре використовувати LDO, якщо різниця між вхідною та вихідною напругою менше 300 мВ
2. Чи приймається 50-60% ефективності для бажаного застосування?
3. Потрібно малошумне джерело живлення?
4. Якщо вартість є проблемою і проста, нижча кількість деталей, потрібне економічне місце.
5. Чи буде надто дорого та громіздко додавати комутаційний контур?

Якщо ви відповіли "ТАК" на все вищезазначене питання, тоді LDO може бути хорошим вибором. Але якою буде специфікація LDO? Ну, це залежить від наведених нижче параметрів.

• Вихідна напруга.
• Мінімальна та максимальна вхідна напруга.
• Вихідний струм.
• Пакет LDO.
• Вартість та наявність.
• Потрібна опція Увімкнути та Вимкнути чи ні.
• Додаткові опції захисту, необхідні для програми. Такі як захист від надтокового струму, UVLO та OVLO тощо.

Популярні LDO на ринку

Кожен виробник потужності ІС, як Texas Instruments, Linear Technology тощо, також має деякі рішення для LDO. Texas Instruments має широкий діапазон LDO, залежно від різних конструктивних потреб, наведена нижче діаграма показує його величезну колекцію LDO з широким діапазоном вихідного струму та вхідної напруги.

Подібним чином, лінійна технологія від аналогових пристроїв також має деякі високоефективні регулятори низького відсіву.

LDO - Приклад проектування

Давайте розглянемо практичний випадок, коли LDO буде обов’язковим. Припустимо, для перетворення виходу літієвої батареї 3,7 В на стабільне джерело 3,3 В на 500 мА з коротким обмеженням струму та тепловим захистом потрібно недороге, просте, економічне простір рішення. Рішення для живлення потрібно підключити до мікроконтролера, щоб увімкнути або вимкнути деяке навантаження, а ефективність може становити 50-60%. Оскільки нам потрібне просте та недороге рішення, ми можемо виключити конструкції регуляторів перемикання.

Літієва батарея може забезпечити 4,2 В при повному заряді та 3,2 В при повністю порожньому стані. Отже, LDO можна контролювати для відключення навантаження при низькій напрузі, вимірюючи вхідну напругу LDO блоком мікроконтролера.

Для шумеризації нам потрібні вихідна напруга 3,3 В, струм 500 мА, опція включення контактів, низька кількість деталей, вимоги до відключення близько 300-400 мВ, захист від короткого замикання на виході, а також функція термічного відключення. Для цього додатка моїм особистим вибором LDO є MCP1825 - 3,3 В регулятор постійної напруги мікрочіпом.

Повний список функцій можна побачити на зображенні нижче, взятому з таблиці даних -

Нижче наведена принципова схема MCP1825 разом з висновком. Принципова схема також міститься в технічному паспорті, таким чином, просто підключивши кілька зовнішніх компонентів, таких як резистор і конденсатор, ми можемо легко використовувати наш LDO для регулювання необхідної напруги з мінімальною напругою.

LDO - рекомендації щодо проектування друкованих плат

Після того, як ви вирішили LDO і протестували його, щоб він працював для вашого дизайну, ви можете приступити до проектування друкованої плати для вашої схеми. Нижче наведено кілька порад, які слід пам’ятати під час проектування друкованої плати для LDO-компонентів.

1. Якщо використовується пакет SMD, важливо забезпечити належну площу міді в друкованих платах, оскільки LDO розсіюють тепло.
2. Товщина міді є головним фактором безперебійної роботи. Товщина міді 2 унції (70 мкм) буде хорошим вибором.
3. С1 і С2 повинні бути якомога ближче до MCP1825.
4. Товста заземлена площина потрібна для проблем, пов’язаних із шумом.
5. Використовуйте Vias для належного відведення тепла в двосторонніх друкованих платах.