Razumijevanje niskog

Danas su se elektronički uređaji smanjili u veličini nego ikad prije. To nam omogućuje pakiranje tonova značajki u kompaktne prijenosne uređaje poput pametnih satova, fitnesa za praćenje i drugih nosivih uređaja, pomaže nam i kod postavljanja udaljenih IoT uređaja za nadzor stoke, praćenje imovine itd. Jedna zajednička stvar među svim tim prijenosnim uređajima jest da rade na baterije. A kada uređaj radi na baterije, važno je da inženjeri dizajna odaberu komponente koje čuvaju svaki milivolt u njihovom dizajnu kako bi uređaj duže koristili s dostupnim sokom od baterije. Jednom kad je takva komponenta regulator napona s malim ispadom (LDO). U ovom ćemo članku naučiti više o LDO-u i kako odabrati pravi za svoj dizajn kruga.

Što je regulator u elektronici?

Regulator je uređaj ili dobro dizajnirani mehanizam koji nešto regulira, ovdje se nešto obično odnosi na napon struje. Postoje dvije vrste regulatora koji se uglavnom koriste u elektronici, prvi je sklopni regulator, a drugi linearni regulator. Oboje imaju različitu radnu arhitekturu i podsustav, ali o njima nećemo raspravljati u ovom članku. Ali da pojednostavimo, ako regulator kontrolira izlaznu struju, tada se naziva regulator struje. S istim aspektom, regulatori napona koriste se za upravljanje naponom.

Razlika između LDO i linearnih regulatora

Linearni regulatori su najčešći uređaji koji se koriste za regulaciju napajanja i većina će nas upoznati s uređajima poput 7805, LM317. Ali, loša strana upotrebe linearnog regulatora u aplikacijama na baterije je što je ovdje ulazni napon linearnog regulatora uvijek potreban da bude veći od reguliranog izlaznog napona. Znači, razlike između ulaznih i izlaznih napona su velike. Stoga standardni linearni regulatori imaju određena ograničenja kada je regulirani izlazni napon potreban da bude bliska vrijednost ulaznog napona.

Rad LDO-a

LDO je dio linearne regulacijske dinastije. Ali, za razliku od normalnih Linearnih regulatora, u LDO je razlika između ulaznog i izlaznog napona manja. Ta se razlika naziva naponom ispadanja. Budući da LDO ima vrlo nizak napon napuštanja, naziva se regulatorima niskog napona. Možete se sjetiti LDO-a linearnog otpornika koji se slijedi u nizu s opterećenjem kako bi se napon smanjio na potrebnu razinu. Prednost posjedovanja LDO-a je ta što će pad napona na njemu biti daleko manji od otpora.

Budući da LDO nudi mali napon napuštanja između ulaza i izlaza, može raditi čak i ako je ulazni napon relativno blizu izlaznog napona. Pad napona na LDO-u bit će između 300mV do 1,5V najviše. U nekim LDO-ima razlike napona su i manje od 300mV.

Gornja slika prikazuje jednostavnu LDO konstrukciju gdje je dizajniran zatvoreni sustav. Referentni napon stvara se od ulaznog napona i dovodi na diferencijalno pojačalo. Izlazni napon se osjeti razdjelnikom napona i ponovno napaja na ulazni pin diferencijalnog pojačala. Ovisno o ove dvije vrijednosti, izlaz iz referentnog napona i izlaz iz razdjelnika napona, pojačalo daje izlaz. Ovaj izlaz kontrolira promjenjivi otpor. Dakle, bilo koja vrijednost ove dvije mogla bi promijeniti izlaz pojačala. Ovdje je referenca napona potrebna kako bi bila stabilna da bi se točno moglo osjetiti ono drugo. Kad je referentni napon stabilan, mala varijacija izlaznog napona odražava se na ulazu diferencijalnog pojačala preko otporničkog djelitelja.Pojačalo zatim kontrolira promjenjivi otpor kako bi osigurao stabilan izlaz. S druge strane, referentni napon ne ovisi o ulaznom naponu i pruža stabilnu referencu na diferencijalnom pojačalu čineći ga imunim na privremene promjene, a također činiizlazni napon neovisan o ulaznom naponu. Ovdje prikazan varijabilni otpor obično će biti zamijenjen učinkovitim MOSFET-om ili JFET-om u aktuelnoj konstrukciji. Bipolarni tranzistori se ne koriste u LDO-ima zbog dodatnih zahtjeva za strujom i proizvodnjom topline što dovodi do slabe učinkovitosti.

Parametri koje treba uzeti u obzir prilikom odabira LDO-a

Osnovne značajke

Budući da je to važan uređaj koji osigurava pravilan prijenos snage na teret, prva ključna značajka je regulacija opterećenja i stabilan izlaz. Pravilna regulacija opterećenja bitna je tijekom promjena struje opterećenja. Kada se opterećenje povećava ili smanjuje njegova trenutna potrošnja, izlazni napon regulatora ne smije fluktuirati. Kolebanje izlaznog napona mjeri se u mV rasponu po amperu struje i naziva se točnostima. Točnost izlazni napon od LDO rasponu od 5mV do 50mV raspon, od nekoliko postotaka izlaznog napona.

Značajke sigurnosti i zaštite

LDO nudi osnovne sigurnosne značajke osiguravajući pravilnu isporuku energije kroz izlaz. Sigurnosne značajke prilagođavaju se zaštitnim krugovima preko ulaza i izlaza. Zaštitni krugovi su podnaponska zaštita (UVLO), prenaponska zaštita (OVLO), prenaponska zaštita, zaštita od kratkog spoja na izlazu i toplinska zaštita.

U nekim situacijama ulazni napon koji se daje regulatoru može pasti znatno nisko ili porasti na visoku vrijednost. To rezultira nepravilnim izlazom napona i struje iz LDO-a što će oštetiti naše opterećenje. Ako je ulazni napon na LDO iznad granica, aktiviraju se zaštita od UVLO i OVLO radi zaštite LDO i opterećenja. Donja granica za UVLO i maksimalna granica ulaznog napona mogu se postaviti pomoću jednostavnih razdjelnika napona.

Prenaponski zaštitni krug nudi LDO imunitet od prolaznih pojava i visokonaponskih prenapona ili skokova. To je također dodatna značajka koju nude različiti LDO-i. Zaštita na izlazu od kratkog spoja oblik je prenaponske zaštite. Ako se opterećenje kratko spoji, značajka zaštite od kratkog spoja LDO-a odvaja opterećenje od ulaznog napajanja. Toplinska zaštita djeluje kad se LDO zagrije. Tijekom rada zagrijavanja, krug toplinske zaštite zaustavlja LDO u radu kako bi spriječio daljnja oštećenja.

Dodatne mogućnosti

LDO-ovi mogu imati dva dodatna upravljačka pina logičke razine za komunikaciju s ulazom mikrokontrolera. Omogući pin koji se često naziva EN i ovo je ulazni pin LDO-a. Jednostavni mikrokontroler može promijeniti stanje EN pina LDO-a kako bi omogućio ili onemogućio izlaznu snagu. Ovo je korisna značajka kada opterećenja treba uključiti ili isključiti u svrhe primjene.

Pin za napajanje je izlazni pin iz LDO-a. Ovaj se pin također može povezati s jedinicom mikrokontrolera kako bi se osigurala logika niska ili velika, ovisno o stanju snage. Na temelju stanja napajanja, mikrokontroler može dobiti informacije o statusu napajanja preko LDO-a.

Ograničenja LDO-a

Iako LDO nudi ispravan izlaz pri niskom naponu ispadanja, ipak ima određenih ograničenja. Glavno ograničenje LDO-a je učinkovitost. Istina je da je LDO bolji od standardnih linearnih regulatora u smislu rasipanja snage i učinkovitosti, ali i dalje je loš izbor za prijenosne operacije povezane s baterijama gdje je učinkovitost glavna briga. Učinkovitost postaje čak i slaba ako je ulazni napon znatno veći od izlaznog napona. Odvođenje topline povećava se kad je pad napona veći. Prekomjerna otpadna energija koja se pretvara u toplinu i zahtijeva hladnjak, rezultirala je povećanom površinom PCB-a, kao i troškom komponenata. Za bolju učinkovitost, prekidački regulatori i dalje su najbolji izbor u odnosu na linearne, posebno LDO-ove.

Trebam li koristiti LDO za sljedeći dizajn?

Budući da LDO nude vrlo mali napon ispadanja, dobro je odabrati LDO samo kada je željeni izlazni napon vrlo blizu raspoloživog ulaznog napona. Ispod vam mogu postaviti pitanja trebate li utvrditi treba li vam LDO zapravo dizajn dizajna

1. Je li željeni izlazni napon blizu raspoloživog ulaznog napona? Ako da, koliko onda? Dobro je koristiti LDO ako je razlika između ulaznog i izlaznog napona manja od 300mV
2. Je li prihvaćeno 50-60% učinkovitosti za željenu primjenu?
3. Potrebno je napajanje niskim nivoom buke?
4. Ako je trošak problem i jednostavan je, računajte donji dio, potrebno je rješenje za uštedu prostora.
5. Hoće li biti preskupo i glomazno dodati preklopni krug?

Ako ste na sve gornje pitanje odgovorili "DA", tada bi LDO mogao biti dobar izbor. Ali, koja će biti specifikacija LDO-a? Pa, to ovisi o donjim parametrima.

• Izlazni napon.
• Minimalni i maksimalni ulazni napon.
• Izlazna struja.
• Paket LDO-a.
• Trošak i dostupnost.
• Potrebna je opcija Omogući i Onemogući ili ne.
• Dodatne opcije zaštite potrebne su za aplikaciju. Kao što su prenaponska zaštita, UVLO i OVLO itd.

Popularni LDO-ovi na tržištu

Svaki pojedinačni proizvođač IC-a poput Texas Instruments, Linear Technology itd. Također ima neka rješenja za LDO. Texas Instruments ima širok raspon LDO-a, ovisno o različitim projektnim potrebama, donji grafikon prikazuje njegovu ogromnu kolekciju LDO-a sa širokim rasponom izlazne struje i ulaznog napona.

Slično tome, Linearna tehnologija, iz analognih uređaja, također ima neke regulatore s malim ispuštanjem visokih performansi.

LDO - dizajn primjera

Razmotrimo praktični slučaj u kojem će LDO biti obvezan. Pretpostavimo da je potrebno jeftino, jednostavno rješenje za uštedu prostora za pretvorbu izlaza litijeve baterije od 3,7 V u stabilan izvor od 3,3 V od 500 mA s kratkim ograničenjem struje i toplinskom zaštitom. Rješenje za napajanje potrebno je povezati s mikrokontrolerom kako bi se omogućilo ili onemogućilo neko opterećenje, a učinkovitost može biti 50-60%. Budući da nam je potrebno jednostavno i jeftino rješenje, možemo isključiti dizajn sklopnog regulatora.

Litijeva baterija može pružiti 4,2 V tijekom punog stanja i 3,2 V u potpuno praznom stanju. Stoga se LDO može kontrolirati da odvoji teret pri niskonaponskoj situaciji tako što će osjetnik ulaznog napona LDO-a izvršiti jedinica mikrokontrolera.

Za sumeriranje trebamo, izlazni napon od 3,3 V, struju od 500 mA, mogućnost uključivanja pinova, mali broj dijelova, oko 300-400 mV zahtjeva za ispadanjem, izlaznu zaštitu od kratkog spoja zajedno s značajkom termičkog isključivanja, za ovu aplikaciju moj osobni izbor LDO-a je MCP1825 - 3.3V regulator fiksnog napona mikročipom.

Cjelovit popis značajki može se vidjeti na slici u nastavku, preuzetoj iz lista s podacima -

Ispod je shema spojeva MCP1825 zajedno s pin- outom. Shema je također data u tehničkom listu, tako da jednostavnim povezivanjem nekoliko vanjskih komponenata poput otpornika i kondenzatora lako možemo koristiti svoj LDO za regulaciju potrebnog napona s minimalnim naponom dorpa.

LDO - smjernice za dizajn PCB-a

Nakon što ste odlučili LDO i testirali ga kako bi odgovarao vašem dizajnu, možete nastaviti s dizajniranjem PCB-a za svoj krug. Slijedi nekoliko savjeta kojih biste se trebali sjetiti tijekom dizajniranja PCB-a za LDO komponente.

1. Ako se koristi SMD paket, neophodno je osigurati odgovarajuće područje bakra u PCB-ima jer LDO-i odvode topline.
2. Debljina bakra glavni je čimbenik u radu bez problema. Debljina bakra od 2 Oz (70 um) bit će dobar izbor.
3. C1 i C2 moraju biti što bliže MCP1825.
4. Debela ravnina tla potrebna je za probleme povezane s bukom.
5. Koristite Vias za pravilno odvođenje topline u dvostranim PCB-ima.