Razumevanje nizko

Danes so se elektronske naprave zmanjšale po velikosti kot kdaj koli prej. To nam omogoča, da zapakiramo tone funkcij v kompaktne prenosne naprave, kot so pametne ure, fitnes sledilci in druge nosljive naprave, pomaga pa nam tudi pri uvajanju oddaljenih IoT naprav za spremljanje živine, sledenje premoženja itd. Ena skupna stvar med vsemi temi prenosnimi napravami je, da delujejo na baterije. Ko naprava deluje na akumulator, je za inženirje načrtovanja pomembno, da izberejo komponente, ki ohranijo vsak milivolt v svoji zasnovi, da napravo dlje časa zaženejo z razpoložljivim baterijskim sokom. Ko je taka komponenta regulator nizke napetosti (LDO). V tem članku bomo izvedeli več o LDO in kako izbrati pravega za zasnovo vezja.

Kaj je regulator v elektroniki?

Regulator je naprava ali dobro zasnovan mehanizem, ki nekaj uravnava, tu se nekaj običajno nanaša na napetost toka. Obstajata dve vrsti regulatorjev, ki se v glavnem uporabljajo v elektroniki, prvi je preklopni regulator, drugi pa linearni regulator. Oba imata različno delujočo arhitekturo in podsistem, vendar v tem članku o njih ne bomo razpravljali. Če poenostavimo, če regulator krmili izhodni tok, se imenuje regulator toka. Z istim vidikom se regulatorji napetosti uporabljajo za nadzor napetosti.

Razlika med LDO in linearnimi regulatorji

Linearni regulatorji so najpogostejše naprave, ki se uporabljajo za regulacijo napajanja, in večina od nas bo že seznanjena z napravami, kot sta 7805, LM317. Slaba stran uporabe linearnega regulatorja v baterijskih aplikacijah pa je ta, da je tu vhodna napetost linearnega regulatorja vedno višja od regulirane izhodne napetosti. Pomen so razlike med vhodnimi in izhodnimi napetostmi velike. Zato imajo standardni linearni regulatorji nekatere omejitve, kadar mora biti regulirana izhodna napetost blizu vrednosti vhodne napetosti.

Delo LDO

LDO je del linearne regulatorne dinastije. Toda v nasprotju z običajnimi linearnimi regulatorji je v LDO razlika med vhodno in izhodno napetostjo manjša. Ta razlika se imenuje izpadna napetost. Ker ima LDO zelo nizko napetost izpada, se imenuje regulator nizke napetosti. Lahko si omislite LDO kot linearni upor, ki je zaporedoma zasnovan z obremenitvijo, da zmanjša napetost na zahtevano raven. Prednost LDO je, da bo padec napetosti na njem veliko manjši od upora.

Ker LDO ponuja nizko napetost izpada med vhodom in izhodom, lahko deluje tudi, če je vhodna napetost relativno blizu izhodne napetosti. Padec napetosti na LDO bo med 300mV in 1,5V največ. V nekaterih LDO so napetostne razlike celo manjše od 300mV.

Zgornja slika prikazuje preprosto konstrukcijo LDO, kjer je zasnovan sistem z zaprto zanko. Iz vhodne napetosti se ustvari referenčna napetost, ki se napaja na diferenčni ojačevalnik. Izhodna napetost se zazna z delilnikom napetosti in spet napaja na vhodni zatič diferencialnega ojačevalnika. Odvisno od teh dveh vrednosti, izhod iz referenčne napetosti in izhod iz napetostnega delilnika, ojačevalnik proizvaja izhod. Ta izhod nadzoruje spremenljivi upor. Zato lahko katera koli vrednost teh dveh spremeni izhod ojačevalnika. Tu je referenca napetosti potrebna, da je stabilna, da natančno zazna drugo. Ko je referenčna napetost stabilna, se majhna sprememba izhodne napetosti odraža na vhodu diferencialnega ojačevalnika prek uporovnega delilnika.Ojačevalnik nato krmili spremenljivi upor, da zagotovi stabilen izhod. Po drugi strani pa referenca napetosti ni odvisna od vhodne napetosti in zagotavlja stabilno referenco skozi diferenčni ojačevalnik, zaradi česar je odporen na prehodne spremembeizhodna napetost neodvisna od vhodne napetosti. Tu prikazan spremenljiv upor bo v dejanski konstrukciji običajno nadomeščen z učinkovitim MOSFET-om ali JFET-om. Bipolarni tranzistorji se v LDO ne uporabljajo zaradi dodatnih zahtev za proizvodnjo toka in toplote, kar vodi do slabe učinkovitosti.

Parametri, ki jih je treba upoštevati pri izbiri LDO

Osnovne lastnosti

Ker je bistvena naprava za zagotavljanje pravilnega dovajanja moči do bremena, je prva ključna lastnost regulacija obremenitve in stabilna moč. Pravilna regulacija obremenitve je nujna med spremembami toka obremenitve. Ko se obremenitev poveča ali zmanjša njegova trenutna poraba, izhodna napetost regulatorja ne sme nihati. Nihanje izhodne napetosti se meri v mV območju na amper toka in se imenuje kot natančnost. Natančnost izhodna napetost iz LDO sega od 5mV na območju 50mV, nekaj odstotkov izhodne napetosti.

Varnostne in zaščitne lastnosti

LDO ponuja osnovne varnostne funkcije, tako da zagotavlja pravilno dovajanje moči skozi izhod. Varnostne funkcije so prilagojene z uporabo zaščitnega vezja med vhodom in izhodom. Zaščitna vezja so podnapetostna zaščita (UVLO), prenapetostna zaščita (OVLO), prenapetostna zaščita, izhodna zaščita pred kratkim stikom in toplotna zaščita.

V nekaterih primerih se lahko vhodna napetost, ki se oddaja regulatorju, znatno zniža ali poveča na visoko vrednost. Posledica tega je neustrezen izhod napetosti in toka iz LDO, ki bo škodoval naši obremenitvi. Če vhodna napetost na LDO presega meje, se za zaščito LDO in obremenitve sproži zaščita UVLO in OVLO. Spodnjo mejo za UVLO in najvišjo mejo vhodne napetosti lahko nastavite s preprostimi delilniki napetosti.

Prenapetostno zaščitno vezje LDO odpornost pred prehodnimi in visokonapetostnimi prenapetostmi ali konicami. To je tudi dodatna funkcija, ki jo ponujajo različni LDO. Zaščita izhodnega kratkega stika je oblika zaščite pred prekomernim tokom. Če pride do kratkega stika obremenitve, funkcija zaščite pred kratkim stikom LDO odklopi obremenitev od vhodnega napajanja. Toplotna zaščita deluje, ko se LDO segreje. Med ogrevanjem toplotni zaščitni krog preprečuje delovanje LDO, da prepreči nadaljnje poškodbe.

Dodatne lastnosti

LDO imajo lahko dva dodatna krmilna zatiča logične ravni za komunikacijo z vhodom mikrokrmilnika. Omogoči pin, ki se pogosto imenuje EN, in to je vhodni pin LDO. Preprost mikrokrmilnik lahko spremeni stanje zatiča EN LDO, da omogoči ali onemogoči izhodno moč. To je priročna funkcija, kadar je treba obremenitve za namene uporabe vklopiti ali izklopiti.

Zatič Power Good je izhodni zatič LDO. Ta zatič lahko priključite tudi na mikrokrmilno enoto, da zagotovite nizko ali visoko logiko, odvisno od stanja moči. Na osnovi stanja dobrega zatiča lahko mikrokrmilna enota dobi informacije o stanju napajanja prek LDO.

Omejitve LDO

Čeprav LDO ponuja ustrezen izhod pri nizki izpadni napetosti, ima vseeno nekatere omejitve. Glavna omejitev LDO je učinkovitost. Res je, da je LDO boljši od običajnih linearnih regulatorjev glede odvajanja moči in učinkovitosti, vendar je še vedno slaba izbira za prenosne operacije, povezane z baterijami, pri katerih je glavna skrb učinkovitost. Učinkovitost postane celo slaba, če je vhodna napetost bistveno višja od izhodne napetosti. Odvajanje toplote se poveča, ko je padec napetosti večji. Presežek odpadne energije, ki se pretvori v toploto in zahteva hladilnik, je povzročil večjo površino PCB in stroške komponent. Za boljšo učinkovitost so preklopni regulatorji še vedno najboljša izbira pred linearnimi regulatorji, zlasti LDO.

Ali naj uporabim LDO za naslednjo zasnovo?

Ker LDO-ji ponujajo zelo nizko izpadno napetost, je dobro, da LDO izberete le, če je želena izhodna napetost zelo blizu razpoložljive vhodne napetosti. Spodnja vprašanja vam lahko pomagajo ugotoviti, ali načrt vezja dejansko potrebuje LDO

1. Ali je želena izhodna napetost blizu razpoložljive vhodne napetosti? Če je odgovor pritrdilen, koliko? Dobro je uporabiti LDO, če je razlika med vhodno in izhodno napetostjo manjša od 300mV
2. Ali je za želeno aplikacijo sprejetih 50–60% učinkovitosti?
3. Potrebujete tiho napajanje?
4. Če so stroški težavni in preprosti, štejejo spodnji deli, je potrebna varčna rešitev.
5. Ali bo predrago in obsežno dodati preklopno vezje?

Če ste na vse zgornje vprašanje odgovorili z »DA«, je LDO morda dobra izbira. Kakšna pa bo specifikacija LDO? No, to je odvisno od spodnjih parametrov.

• Izhodna napetost.
• Najmanjša in največja vhodna napetost.
• Izhodni tok.
• Paket LDO.
• Stroški in razpoložljivost.
• Možnost Omogoči in Onemogoči je obvezna ali ne.
• Za aplikacijo so potrebne dodatne možnosti zaščite. Kot so nadtokovna zaščita, UVLO in OVLO itd.

Priljubljeni LDO na trgu

Vsak proizvajalec moči IC, kot so Texas Instruments, Linear Technology itd., Ima tudi nekaj rešitev za LDO. Texas Instruments ima široko paleto LDO-jev, odvisno od različnih konstrukcijskih potreb, spodnji grafikon prikazuje njegovo ogromno zbirko LDO s širokim razponom izhodnega toka in vhodne napetosti.

Podobno ima Linearna tehnologija iz analognih naprav tudi nekaj visoko zmogljivih regulatorjev z nizkim izpadom.

LDO - primer zasnove

Poglejmo si praktičen primer, v katerem bo LDO obvezen. Recimo, da je za pretvorbo izhodne litijeve baterije 3,7 V v stabilen vir 3,3 V 500 mA s kratko tokovno mejo in toplotno zaščito potrebna poceni, enostavna rešitev, ki prihrani prostor. Rešitev napajanja mora biti povezana z mikrokrmilnikom, da omogoči ali onemogoči določeno obremenitev, izkoristek pa znaša 50-60%. Ker potrebujemo preprosto in poceni rešitev, lahko izključimo zasnovo stikalnih regulatorjev.

Litijeva baterija lahko zagotavlja 4,2 V med polnjenjem in 3,2 V pri popolnoma praznem stanju. Zato je LDO mogoče nadzorovati tako, da odklopi obremenitev pri nizki napetosti, tako da zazna vhodno napetost LDO z mikrokrmilnikom.

Za sumerizacijo potrebujemo 3.3V izhodno napetost, 500mA toka, možnost omogočenja pinov, nizko število delov, približno 300-400 mV izpadov, zaščito pred kratkim stikom na izhodu skupaj s funkcijo termičnega izklopa, za to aplikacijo je moja osebna izbira LDO MCP1825 - 3.3V fiksni regulator napetosti z mikročipom

Celoten seznam funkcij je razviden iz spodnje slike, vzete iz podatkovnega lista -

Spodaj je diagram vezja MCP1825 skupaj s pin- outom. Shema je na voljo tudi v obrazcu, tako da lahko s preprosto povezavo nekaj zunanjih komponent, kot sta upor in kondenzator, enostavno uporabimo LDO za regulacijo zahtevane napetosti z minimalno napetostjo.

LDO - smernice za oblikovanje PCB

Ko ste odločili LDO in ga preizkusili, da ustreza vašemu dizajnu, lahko nadaljujete z načrtovanjem tiskanega vezja za vaše vezje. Sledi nekaj nasvetov, ki si jih morate zapomniti med načrtovanjem tiskanega vezja za komponente LDO.

1. Če uporabljate SMD paket, je nujno, da zagotovite ustrezno bakreno površino v PCB-jih, saj LDO odvajajo toploto.
2. Debelina bakra pomembno prispeva k nemotenemu delovanju. Debelina bakra 2 Oz (70um) bo dobra izbira.
3. C1 in C2 morata biti čim bližje MCP1825.
4. Debelina talne ravnine je potrebna za vprašanja, povezana s hrupom.
5. Uporabite Vias za pravilno odvajanje toplote v dvostranskih PCB-jih.