Pochopenie nízke

Dnes sa veľkosť elektronických zariadení zmenšila ako kedykoľvek predtým. To nám umožňuje zbaliť tóny funkcií v kompaktných prenosných zariadeniach, ako sú inteligentné hodinky, fitness trackery a ďalšie nositeľné zariadenia, ale tiež nám to pomáha nasadiť vzdialené zariadenia IoT na monitorovanie dobytka, sledovanie majetku atď. Medzi týmito prenosnými zariadeniami je jedna spoločná vec. je to, že sú napájané z batérie. A keď je zariadenie napájané z batérie, je potrebné, aby dizajnéri vybrali komponenty, ktoré v ich dizajne šetria každý milivolt, aby mohli zariadenie prevádzkovať dlhšiu dobu s dostupnou šťavou z batérie. Jedným z týchto komponentov je regulátor nízkeho napätia (LDO). V tomto článku sa dozvieme viac o LDO a o tom, ako zvoliť ten správny pre návrh obvodu.

Čo je regulátor v elektronike?

Regulátor je zariadenie alebo dobre navrhnutý mechanizmus, ktorý niečo reguluje, tu sa niečo obvykle vzťahuje na napätie prúdu. V elektronike sa používajú hlavne dva typy regulátorov, prvý je spínací regulátor a druhý lineárny regulátor. Obidve majú odlišnú pracovnú architektúru a subsystém, ale v tomto článku o nich nebudeme diskutovať. Ale aby som to zjednodušil, ak regulátor reguluje výstupný prúd, nazýva sa to prúdový regulátor. Z rovnakého hľadiska sa na riadenie napätia používajú regulátory napätia.

Rozdiel medzi LDO a lineárnymi regulátormi

Lineárne regulátory sú najbežnejším zariadením používaným na reguláciu napájania a väčšina z nás bude oboznámená so zariadeniami ako 7805, LM317. Nevýhodou použitia lineárneho regulátora v batériových aplikáciách je však to, že tu je vždy potrebné, aby vstupné napätie lineárneho regulátora bolo vyššie ako regulované výstupné napätie. To znamená, že rozdiely medzi vstupným napätím a výstupným napätím sú vysoké. Preto majú štandardné lineárne regulátory určité obmedzenia, keď sa vyžaduje, aby regulované výstupné napätie bolo blízkou hodnotou vstupného napätia.

Fungovanie LDO

LDO je súčasťou dynastie lineárnych regulátorov. Ale na rozdiel od bežných lineárnych regulátorov je pri LDO rozdiel medzi vstupným napätím a výstupným napätím menší. Tento rozdiel sa nazýva vypadávajúce napätie. Pretože LDO má veľmi nízke vypadávacie napätie, nazýva sa to ako regulátory nízkeho vypadávacieho napätia. Môžete si myslieť, že LDO je lineárny odpor zapojený do série so záťažou, aby sa znížilo napätie na požadovanú úroveň. Výhodou použitia LDO je, že pokles napätia na ňom bude oveľa menší ako odpor.

Pretože LDO ponúka nízke vypadávacie napätie medzi vstupom a výstupom, môže pracovať, aj keď je vstupné napätie relatívne blízke výstupnému napätiu. Pokles napätia na LDO bude medzi 300mV až 1,5V maximum. V niektorých LDO sú rozdiely napätia dokonca menšie ako 300 mV.

Vyššie uvedený obrázok ukazuje jednoduchú LDO konštrukciu, kde je navrhnutý systém s uzavretou slučkou. Zo vstupného napätia sa vytvorí referenčné napätie, ktoré sa privádza do diferenciálneho zosilňovača. Výstupné napätie je snímané deličom napätia a opäť napájané na vstupný kolík diferenciálneho zosilňovača. V závislosti od týchto dvoch hodnôt, výstupu z referenčného napätia a výstupu z deliča napätia, zosilňovač produkuje výstup. Tento výstup riadi premenný rezistor. Ktokoľvek z týchto dvoch hodnôt by preto mohol zmeniť výstup zosilňovača. Tu je potrebné, aby bola referenčná hodnota napätia stabilná, aby bolo možné presne snímať druhú. Keď je referenčné napätie stabilné, prejaví sa malá odchýlka výstupného napätia na vstupe diferenciálneho zosilňovača cez odporový delič.Zosilňovač potom riadi premenný odpor, aby poskytol stabilný výstup. Na druhej strane referenčná hodnota napätia nezávisí od vstupného napätia a poskytuje stabilnú referenčnú hodnotu cez diferenciálny zosilňovač, čo ju robí imunnou voči prechodným zmenám a tiež robívýstupné napätie nezávislé od vstupného napätia. Tu zobrazený premenný rezistor bude normálne nahradený účinným MOSFET alebo JFET v skutočnej konštrukcii. Bipolárne tranzistory sa v LDO nepoužívajú kvôli zvláštnym požiadavkám na výrobu prúdu a tepla, ktoré vedú k nízkej účinnosti.

Parametre, ktoré treba brať do úvahy pri výbere vášho LDO

Základné vlastnosti

Pretože je to nevyhnutné zariadenie na zabezpečenie správneho napájania záťaže, prvou kľúčovou vlastnosťou je regulácia záťaže a stabilný výkon. Pri zmenách prúdu zaťaženia je nevyhnutná správna regulácia zaťaženia. Keď záťaž stúpa alebo klesá, je potrebné, aby výstupné napätie z regulátora kolísalo. Kolísanie výstupného napätia sa meria v mV rozsahu na ampér prúdu a nazýva sa ako presnosť. Presnosť výstupné napätie z LDO sa pohybuje v rozmedzí od 5mV až 50 mV rozmedzí, niekoľkých percentách výstupného napätia.

Bezpečnostné a ochranné prvky

LDO ponúka základné bezpečnostné prvky zabezpečením správneho dodania energie cez výstup. Bezpečnostné prvky sú prispôsobené použitím ochranných obvodov na vstupe a výstupe. Ochranné obvody sú Podpäťová ochrana (UVLO), Prepäťová ochrana (OVLO), Prepäťová ochrana, ochrana proti skratu na výstupe a tepelná ochrana.

V niektorých situáciách môže vstupné napätie dodávané do regulátora výrazne poklesnúť alebo sa môže zvýšiť na vysokú hodnotu. To má za následok nesprávne výstupné napätie a prúd z LDO, ktoré poškodia našu záťaž. Ak je vstupné napätie na LDO nad limity, aktivuje sa ochrana UVLO a OVLO na ochranu LDO a záťaže. Spodnú hranicu pre UVLO a maximálnu hranicu vstupného napätia je možné nastaviť pomocou jednoduchých rozdeľovačov napätia.

Obvod prepäťovej ochrany ponúka LDO imunitu pred prechodnými javmi a rázmi alebo skokmi vysokého napätia. Je to tiež ďalšia funkcia, ktorú ponúkajú rôzne LDO. Ochrana proti skratu na výstupe je formou nadprúdovej ochrany. Ak dôjde k skratu záťaže, funkcia ochrany proti skratu LDO odpojí záťaž od vstupného napájacieho zdroja. Tepelná ochrana funguje, keď sa LDO zahreje. Počas zahrievacej činnosti obvod tepelnej ochrany zastaví činnosť LDO, aby sa zabránilo ďalšiemu poškodeniu.

Pridané vlastnosti

LDO môžu mať dva ďalšie ovládacie kolíky logickej úrovne na komunikáciu so vstupom mikrokontroléra. Povoliť pin, ktorý sa často označuje ako EN, a toto je vstupný pin LDO. Jednoduchý mikrokontrolér môže zmeniť stav EN pinu LDO a povoliť alebo zakázať výstupný výkon. Toto je užitočná funkcia, keď je potrebné na účely aplikácie zapnúť alebo vypnúť načítanie.

Power Good pin je výstupný pin z LDO. Tento pin môže byť tiež prepojený s jednotkou mikrokontroléra, aby poskytoval logickú hodnotu nízku alebo vysokú v závislosti od stavu napájania. Na základe stavu dobrého napájacieho kolíka môže jednotka mikrokontroléra získať informácie o stave napájania v rámci LDO.

Obmedzenia LDO

Aj keď LDO ponúka správny výstup pri nízkom výpadku napätia, stále má určité obmedzenia. Hlavným obmedzením LDO je účinnosť. Je pravda, že LDO je lepší ako štandardné lineárne regulátory z hľadiska rozptylu energie a účinnosti, ale stále je zlou voľbou pre operácie spojené s prenosnými batériami, kde je hlavným cieľom účinnosť. Účinnosť je ešte slabšia, ak je vstupné napätie výrazne vyššie ako výstupné napätie. Odvod tepla sa zvyšuje, keď je pokles napätia vyšší. Prebytočná odpadová energia, ktorá sa transformuje ako teplo a vyžaduje chladič, mala za následok zväčšenie plochy PCB a náklady na komponenty. Pre lepšiu účinnosť sú spínacie regulátory stále najlepšou voľbou oproti lineárnym regulátorom, najmä LDO.

Mám použiť LDO pre svoj ďalší dizajn?

Pretože LDO ponúkajú veľmi nízke vypadávacie napätie, je dobré zvoliť LDO, iba ak je požadované výstupné napätie veľmi blízke dostupnému vstupnému napätiu. Nasledujúce otázky vám môžu pomôcť zistiť, či návrh obvodu skutočne potrebuje LDO

Je požadované výstupné napätie blízke dostupnému vstupnému napätiu? Ak hej, tak koľko? Je dobré použiť LDO, ak je rozdiel medzi vstupným napätím a výstupným napätím menší ako 300 mV
Je pre požadovanú aplikáciu akceptovaných 50-60% účinnosti?
Potrebujete napájací zdroj s nízkym šumom?
Ak je cena problém a jednoduchá, ak sa počíta menej častí, je potrebné riešenie šetriace miesto.
Bude príliš drahé a objemné pridať spínací obvod?

Ak ste na všetky vyššie uvedené otázky odpovedali „ÁNO“, potom by mohol byť dobrou voľbou LDO. Aká bude však špecifikácia LDO? Závisí to od nižšie uvedených parametrov.

Výstupné napätie.
Minimálne a maximálne vstupné napätie.
Výstupný prúd.
Balík LDO.
Cena a dostupnosť.
Možnosť Povoliť a Zakázať je alebo nie je vyžadovaná.
Pre aplikáciu sú potrebné ďalšie možnosti ochrany. Napríklad ochrana proti nadmernému prúdu, UVLO a OVLO atď.

Populárne LDO na trhu

Každý výrobca výkonových integrovaných obvodov, ako je Texas Instruments, Linear Technology atď., Má tiež nejaké riešenia pre LDO. Spoločnosť Texas Instruments má širokú škálu LDO v závislosti na rôznych dizajnérskych potrebách, nasledujúci graf ukazuje jeho obrovskú zbierku LDO so širokou škálou výstupného prúdu a vstupného napätia.

Podobne má lineárna technológia z analógových zariadení aj niektoré vysoko výkonné regulátory s nízkym odstupom.

LDO - vzorový návrh

Uvažujme o praktickom prípade, v ktorom bude LDO povinný. Predpokladajme, že na konverziu výstupu lítiovej batérie 3,7 V na stabilný zdroj 3,3 V 500 mA s krátkym prúdovým limitom a tepelnou ochranou je potrebné lacné, jednoduché a priestorovo úsporné riešenie. Energetické riešenie musí byť spojené s mikrokontrolérom, aby sa umožnilo alebo deaktivovalo určité zaťaženie, a účinnosť môže byť 50 - 60%. Pretože potrebujeme jednoduché a lacné riešenie, môžeme vylúčiť návrhy spínacích regulátorov.

Lítiová batéria môže poskytnúť 4,2 V pri plnom nabití a 3,2 V pri úplne vybitom stave. Preto možno riadiť LDO tak, aby odpojil záťaž pri nízkom napätí, snímaním vstupného napätia LDO jednotkou mikrokontroléra.

Aby sme to zhrnuli, potrebujeme, výstupné napätie 3,3 V, prúd 500 mA, možnosť aktivácie pinov, nízky počet súčiastok, požiadavky na výpadok okolo 300 - 400 mV, ochrana proti skratu výstupu spolu s funkciou tepelného vypnutia, pre túto aplikáciu je mojou osobnou voľbou LDO MCP1825 - 3,3 V pevný regulátor napätia pomocou mikročipu.

Celý zoznam funkcií je uvedený na nasledujúcom obrázku prevzatom z údajového listu -

Ďalej je uvedená schéma zapojenia MCP1825 spolu s vývodom. Schéma je tiež uvedená v údajovom liste, takže jednoduchým pripojením niekoľkých externých komponentov, ako je rezistor a kondenzátor, môžeme ľahko použiť náš LDO na reguláciu požadovaného napätia s minimálnym poklesom napätia.

Pokyny pre návrh LDO - PCB

Keď ste LDO deicidovali a otestovali, aby fungoval pre váš návrh, môžete pokračovať v navrhovaní PCB pre váš obvod. Nasleduje niekoľko rád, ktoré by ste si mali pamätať pri navrhovaní PCB pre komponenty LDO.

Ak sa použije SMD obal, je nevyhnutné zaistiť správnu medenú plochu v PCB, pretože LDO rozptyľuje teplo.
Hrúbka medi výrazne prispieva k bezproblémovej prevádzke. Hrúbka medi 2 oz (70 um) bude dobrou voľbou.
C1 a C2 musia byť čo najbližšie k MCP1825.
Silná základná rovina je potrebná pre problémy spojené s hlukom.
Pre správny odvod tepla v obojstranných PCB použite Vias.