Înțelegerea scăzută

Astăzi, dispozitivele electronice s-au micșorat ca niciodată. Acest lucru ne permite să împachetăm în tonuri de caracteristici în dispozitive portabile compacte precum ceasuri inteligente, trackere de fitness și alte dispozitive purtabile, ne ajută, de asemenea, să implementăm dispozitive IoT la distanță pentru monitorizarea bovinelor, urmărirea activelor etc. Un lucru comun printre toate aceste dispozitive portabile este că sunt acționate pe baterie. Și atunci când un dispozitiv funcționează cu baterie, este important pentru inginerii de proiectare să selecteze componente care să păstreze fiecare milivol în designul lor pentru a rula dispozitivul pentru o perioadă mai lungă de timp cu ajutorul sucului de baterie disponibil. Odată ce o astfel de componentă este Regulatorul de tensiune scăzută (LDO). În acest articol vom afla mai multe despre LDO și cum să îl selectăm pe cel potrivit pentru proiectarea circuitului dvs.

Ce este un regulator în electronică?

Un regulator este un dispozitiv sau un mecanism bine conceput care reglează ceva, aici ceva se referă de obicei la tensiunea curentului. Există două tipuri de regulatoare utilizate în principal în electronică, primul este regulatorul de comutare și cel de-al doilea este regulatorul liniar. Amândoi au o arhitectură și un subsistem de lucru diferit, dar nu vom discuta în acest articol. Dar, ca să spunem simplu, dacă un regulator controlează curentul de ieșire, atunci acesta se numește regulator de curent. Prin același aspect, regulatoarele de tensiune sunt obișnuite să controleze tensiunea.

Diferența dintre regulatoarele LDO și liniare

Regulatoarele liniare sunt cele mai frecvente dispozitive utilizate pentru reglarea alimentării cu energie electrică și majoritatea dintre noi vor fi familiarizați cu dispozitive precum 7805, LM317. Dar, dezavantajul utilizării unui regulator liniar în aplicațiile cu baterii este că aici tensiunea de intrare a unui regulator liniar este întotdeauna necesară pentru a fi mai mare decât tensiunea de ieșire reglată. Adică, diferențele dintre tensiunile de intrare și tensiunea de ieșire sunt mari. Prin urmare, regulatoarele liniare standard au unele limitări atunci când tensiunea de ieșire reglată trebuie să fie o valoare apropiată a tensiunii de intrare.

Funcționarea unui LDO

LDO face parte din dinastia regulatorilor liniari. Dar, spre deosebire de regulatoarele liniare normale, într-un LDO diferența dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire este mai mică. Această diferență se numește tensiune de abandon. Deoarece LDO are o tensiune de scădere foarte scăzută, aceasta este numită regulatoare de tensiune scăzută. Vă puteți gândi la un rezistor LDO și un rezistor liniar palced în serie cu sarcina pentru a reduce tensiunea la nivelul necesar. Avantajul unui LDO este că căderea de tensiune peste el va fi mult mai mică decât un rezistor.

Deoarece LDO oferă o tensiune scăzută de ieșire între intrare și ieșire, poate funcționa chiar dacă tensiunea de intrare este relativ apropiată de tensiunea de ieșire. Căderea de tensiune pe un LDO va fi între 300mV și 1,5V maxim. În unele LDO, diferențele de tensiune sunt chiar mai mici de 300mV.

Imaginea de mai sus prezintă o construcție simplă LDO în care este proiectat un sistem cu buclă închisă. O tensiune de referință este creată din tensiunea de intrare și este alimentată către un amplificator diferențial. Tensiunea de ieșire este detectată de un divizor de tensiune și alimentată din nou la pinul de intrare al amplificatorului diferențial. În funcție de aceste două valori, ieșirea din tensiunea de referință și ieșirea din divizorul de tensiune, amplificatorul produce ieșire. Această ieșire controlează rezistența variabilă. Prin urmare, orice valoare a acestor două ar putea modifica ieșirea amplificatorului. Aici, referința la tensiune este necesară pentru a fi stabilă pentru a o detecta cu precizie pe cealaltă. Când tensiunea de referință este stabilă, o mică variație a tensiunii de ieșire se reflectă la intrarea amplificatorului diferențial prin divizorul de rezistență.Amplificatorul controlează apoi rezistența variabilă pentru a oferi o ieșire stabilă. Pe de altă parte, referința la tensiune nu depinde de tensiunea de intrare și oferă referință stabilă pe amplificatorul diferențial, făcându-l imun la schimbările tranzitorii și, de asemenea, face catensiune de ieșire independentă de tensiunea de intrare. Rezistența variabilă prezentată aici va fi în mod normal înlocuită de un MOSFET sau JFET eficient în construcția actuului. Tranzistoarele bipolare nu sunt utilizate în LDO datorită cerințelor suplimentare de generare de curent și căldură, ceea ce duce la o eficiență slabă.

Parametrii de luat în considerare la selectarea LDO

Caracteristici de bază

Deoarece este un dispozitiv esențial pentru asigurarea unei livrări adecvate a energiei către sarcină, prima caracteristică cheie este reglarea sarcinii și ieșirea stabilă. Reglarea corectă a sarcinii este esențială în timpul modificărilor curentului de sarcină. Când sarcina crește sau scade este consumul de curent, tensiunea de ieșire de la regulator nu trebuie să fluctueze. Fluctuația tensiunii de ieșire se măsoară în intervalul mV per amper de curent și se numește ca acuratețe. Precizia tensiunii de ieșire a unui LDO variază de la 5mV la gama 50mV, câteva procente ale tensiunii de ieșire.

Caracteristici de siguranță și protecție

LDO oferă caracteristici de siguranță de bază, asigurând o livrare adecvată de energie la ieșire. Caracteristicile de siguranță sunt adaptate utilizând circuite de protecție la intrare și ieșire. Circuitele de protecție sunt protecție sub tensiune (UVLO), protecție la supratensiune (OVLO), protecție la supratensiune, protecție la scurtcircuit de ieșire și protecție termică.

În unele situații, tensiunea de intrare furnizată regulatorului ar putea scădea semnificativ scăzută sau crește la valoare ridicată. Acest lucru are ca rezultat o ieșire necorespunzătoare a tensiunii și curentului de la LDO, care ne va deteriora sarcina. Dacă tensiunea de intrare peste LDO depășește limitele, protecția UVLO și OVLO sunt declanșate pentru a proteja LDO și sarcina. Limita inferioară pentru UVLO și limitele maxime de tensiune de intrare pot fi setate folosind separatoare simple de tensiune.

Circuitul de protecție la supratensiuni oferă imunități LDO de tranzitorii și supratensiuni sau vârfuri de înaltă tensiune. Este, de asemenea, o caracteristică suplimentară oferită de diferiți LDO. Protecția la scurtcircuit de ieșire este o formă de protecție la supracurent. Dacă sarcina este scurtcircuitată, caracteristica de protecție la scurtcircuit a unui LDO deconectează sarcina de la sursa de alimentare de intrare. Protecția termică funcționează atunci când LDO se încălzește. În timpul funcționării de încălzire, circuitul de protecție termică oprește LDO să funcționeze pentru a preveni orice deteriorare ulterioară a acestuia.

Caracteristici suplimentare

LDO-urile pot avea doi pini de control logici suplimentari pentru a comunica cu o intrare de microcontroler. Activați pinul denumit adesea EN și acesta este un pin de intrare al LDO. Un microcontroler simplu poate schimba starea pinului EN al unui LDO pentru a activa sau a dezactiva puterea de ieșire. Aceasta este o caracteristică utilă atunci când încărcăturile trebuie activate sau dezactivate în scopuri de aplicare.

Pinul Power Good este un pin de ieșire de la LDO. Acest pin poate fi, de asemenea, conectat cu o unitate de microcontroler pentru a oferi o logică scăzută sau ridicată, în funcție de starea de alimentare. Pe baza stării bune a puterii, unitatea de microcontroler poate obține informații despre starea puterii în LDO.

Limitări ale LDO

Deși LDO oferă o ieșire adecvată la tensiune scăzută, totuși are unele limitări. Limita majoră a LDO este eficiența. Este adevărat că LDO este mai bun decât regulatoarele liniare standard în ceea ce privește disiparea puterii și eficiența, dar este încă o alegere slabă pentru operațiunile portabile legate de baterie, în care eficiența este principala preocupare. Eficiența devine chiar mai slabă dacă tensiunea de intrare este semnificativ mai mare decât tensiunea de ieșire. Disiparea căldurii crește atunci când căderea de tensiune este mai mare. Excesul de energie reziduală care se transformă sub formă de căldură și necesită un radiator, a dus la creșterea suprafeței PCB, precum și la costul componentelor. Pentru o eficiență mai bună, regulatoarele de comutare sunt în continuare cea mai bună alegere față de regulatoarele liniare, în special LDO-urile.

Ar trebui să folosesc LDO pentru următorul meu design?

Întrucât LDO oferă o tensiune de scădere foarte mică, este bine să selectați un LDO numai atunci când tensiunea de ieșire dorită este foarte aproape de tensiunea de intrare disponibilă. Întrebările de mai jos vă pot ajuta să determinați dacă proiectarea circuitului are nevoie de fapt de un LDO

Tensiunea de ieșire dorită este aproape de tensiunea de intrare disponibilă? Dacă da, atunci cât? Este bine să utilizați LDO dacă diferența dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire este mai mică de 300mV
Este acceptată 50-60% din eficiență pentru aplicația dorită?
Este necesară o sursă de alimentare cu zgomot redus?
Dacă costul este o problemă și un număr simplu, mai mic de piese, este necesară soluția de economisire a spațiului.
Va fi prea scump și voluminos să adăugați un circuit de comutare?

Dacă ați răspuns „DA” pentru toate întrebările de mai sus, atunci LDO ar putea fi o alegere bună. Dar, care va fi specificația LDO? Ei bine, depinde de parametrii de mai jos.

Tensiunea de ieșire.
Tensiunea de intrare minimă și maximă.
Curent de ieșire.
Pachetul LDO-urilor.
Costul și disponibilitatea.
Este necesară sau nu opțiunea Activare și Dezactivare.
Opțiuni de protecție suplimentare care sunt necesare pentru aplicație. Cum ar fi protecția împotriva supracurentului, UVLO și OVLO etc.

LDO-uri populare pe piață

Fiecare producător unic de circuite integrate, cum ar fi Texas Instruments, Linear Technology etc. are, de asemenea, câteva soluții pentru LDO. Texas Instruments are o gamă largă de LDO în funcție de diverse nevoi de proiectare, graficul de mai jos arată colecția sa imensă de LDO cu o gamă largă de curent de ieșire și tensiune de intrare.

În mod similar, tehnologia liniară, de pe dispozitivele analogice, are și unele regulatoare de înaltă performanță cu performanță redusă.

LDO - Exemplu de proiectare

Să luăm în considerare un caz practic în care LDO va fi obligatoriu. Să presupunem că este necesară o soluție ieftină, simplă, care economisește spațiu, pentru conversia ieșirii bateriei de litiu de 3,7 V într-o sursă stabilă de 3,3 V 500 mA cu limită scurtă de curent și protecție termică. Soluția de alimentare trebuie să fie conectată cu un microcontroler pentru a activa sau dezactiva o anumită sarcină, iar eficiența poate fi de 50-60%. Deoarece avem nevoie de o soluție simplă și cu costuri reduse, putem exclude proiectarea regulatorului de comutare.

O baterie cu litiu poate furniza 4.2V în condiții de încărcare completă și 3.2V în stare complet goală. Prin urmare, LDO poate fi controlat pentru a deconecta sarcina la situația de joasă tensiune prin detectarea tensiunii de intrare a LDO de către unitatea de microcontroler.

Pentru sumarizare avem nevoie de o tensiune de ieșire de 3,3 V, 500 mA de curent, opțiunea Activare pin, număr mic de piese, cerințe de renunțare în jur de 300-400 mV, protecție la scurtcircuit de ieșire împreună cu funcția de oprire termică, pentru această aplicație, alegerea mea personală a LDO este MCP1825 - Regulator de tensiune fixă de 3,3 V prin microcip.

Lista completă a caracteristicilor poate fi văzută în imaginea de mai jos, preluată din foaia de date -

Mai jos este schema de circuit a MCP1825 împreună cu pin-out. Schema este, de asemenea, furnizată în foaia tehnică, astfel prin simpla conectare a unor componente externe, cum ar fi rezistor și condensator, putem folosi cu ușurință LDO pentru a regla tensiunea necesară cu tensiunea minimă dorp.

LDO - Ghid de proiectare PCB

Odată ce ați eliminat LDO și l-ați testat pentru a funcționa pentru proiectarea dvs., puteți continua cu proiectarea PCB-ului pentru circuitul dvs. Următoarele sunt câteva sfaturi pe care ar trebui să le amintiți atunci când proiectați un PCB pentru componentele LDO.

Dacă se utilizează pachetul SMD, este esențial să se asigure o zonă de cupru adecvată în PCB, deoarece LDO disipă căldurile.
Grosimea cuprului contribuie major la o funcționare fără probleme. 2 oz (70um) grosime de cupru va fi o alegere bună.
C1 și C2 trebuie să fie cât mai aproape de MCP1825.
Planul de masă gros este necesar pentru probleme legate de zgomot.
Utilizați Vias pentru disiparea corespunzătoare a căldurii în PCB-uri pe două fețe.