Разбиране на ниско

Днес електронните устройства са намалели по размер от всякога. Това ни позволява да опаковаме в тонове функции в компактни преносими устройства като интелигентни часовници, фитнес тракери и други носими устройства, а също така ни помага да разположим отдалечени IoT устройства за наблюдение на добитъка, проследяване на активи и т.н. Едно общо нещо сред всички тези преносими устройства е, че те работят с батерии. И когато дадено устройство работи с батерия, е важно за инженерите-дизайнери да изберат компоненти, които запазват всеки миливолт в техния дизайн, за да работят устройството за по-дълго време с наличния сок от батерията. След като такъв компонент е регулаторът на напрежението с ниско отпадане (LDO). В тази статия ще научим повече за LDO и как да изберем правилния за вашия дизайн на веригата.

Какво е регулатор в електрониката?

Регулаторът е устройство или добре проектиран механизъм, който регулира нещо, тук нещо обикновено се отнася до напрежение на тока. Има два вида регулатори, използвани главно в електрониката, първият е превключващ регулатор, а вторият е линейният регулатор. И двамата имат различна работеща архитектура и подсистема, но няма да ги обсъждаме в тази статия. Но казано по-просто, ако регулаторът контролира изходния ток, тогава той се нарича регулатор на тока. Със същия аспект, регулаторите на напрежение се използват за управление на напрежението.

Разлика между LDO и линейни регулатори

Линейните регулатори са най-често използваните устройства за регулиране на захранването и повечето от нас ще са запознати с устройства като 7805, LM317. Но недостатъкът на използването на линеен регулатор в приложения, работещи с батерии, е, че тук винаги е необходимо входното напрежение на линеен регулатор да бъде по-високо от регулираното изходно напрежение. Това означава, че разликите между входните и изходните напрежения са големи. Следователно, стандартните линейни регулатори имат някои ограничения, когато регулираното изходно напрежение трябва да бъде близка стойност на входното напрежение.

Работа на LDO

LDO е част от династията на линейните регулатори. Но за разлика от нормалните линейни регулатори, при LDO разликата между входното и изходното напрежение е по-малка. Тази разлика се нарича отпадащо напрежение. Тъй като LDO има много ниско напрежение на отпадане, той се нарича регулатор на ниско напрежение. Можете да помислите за LDO - линеен резистор, последователно подреден с товара, за да се намали напрежението до необходимото ниво. Предимството на LDO е, че падането на напрежението в него ще бъде далеч по-малко от резистор.

Тъй като LDO предлага ниско напрежение на отпадане между входа и изхода, той може да работи, дори ако входното напрежение е относително близо до изходното напрежение. Спадът на напрежението в LDO ще бъде между 300mV до 1.5V максимум. В някои LDO разликите в напрежението са дори по-малки от 300mV.

Горното изображение показва проста LDO конструкция, където е проектирана система със затворен цикъл. От входното напрежение се създава еталонно напрежение и се подава към диференциален усилвател. Изходното напрежение се усеща от делител на напрежението и отново се подава към входния щифт на диференциалния усилвател. В зависимост от тези две стойности, изходът от референтното напрежение и изходът от делителя на напрежението, усилвателят произвежда изход. Този изход управлява променливия резистор. Следователно, всяка стойност на тези две може да промени изхода на усилвателя. Тук референтното напрежение е необходимо, за да бъде стабилно, за да се усети точно другото. Когато еталонното напрежение е стабилно, малка промяна на изходното напрежение се отразява на входа на диференциалния усилвател чрез резисторния делител.След това усилвателят управлява променливия резистор, за да осигури стабилен изход. От друга страна, еталонното напрежение не зависи от входното напрежение и осигурява стабилна референция през диференциалния усилвател, което го прави имунизиран срещу преходните промени, а също така правиизходно напрежение, независимо от входното напрежение. Показаният тук променлив резистор обикновено ще бъде заменен с ефективен MOSFET или JFET в актуалната конструкция. Биполярните транзистори не се използват в LDO поради допълнителните изисквания за генериране на ток и топлина, което води до лоша ефективност.

Параметри, които трябва да имате предвид при избора на LDO

Основни характеристики

Тъй като това е основно устройство за осигуряване на правилно подаване на енергия към товара, първата ключова характеристика е регулирането на товара и стабилната мощност. Правилното регулиране на натоварването е от съществено значение по време на промени в тока на натоварване. Когато натоварването се увеличи или намали, това е консумацията на ток, изходното напрежение от регулатора не трябва да варира. Флуктуацията на изходното напрежение се измерва в mV диапазон на ампер ток и се нарича като точност. На точността на изходното напрежение на LDO варира от 5mV да 50mV диапазон, няколко проценти на изходното напрежение.

Функции за безопасност и защита

LDO предлага основни функции за безопасност, като осигурява правилно подаване на мощност през изхода. Функциите за безопасност се приспособяват, като се използват защитни схеми през входа и изхода. Защитните вериги са Защита от понижено напрежение (UVLO), Защита от пренапрежение (OVLO), Защита от пренапрежение, защита от късо съединение и термична защита.

В някои ситуации входното напрежение, подавано към регулатора, може да спадне значително ниско или да се увеличи до висока стойност. Това води до неправилно извеждане на напрежение и ток от LDO, което ще навреди на натоварването ни. Ако входното напрежение на LDO надхвърля границите, се задейства защитата UVLO и OVLO, за да се защити LDO и товара. Долната граница за UVLO и максималните граници на входното напрежение могат да бъдат зададени с помощта на прости делители на напрежението.

Схема за защита от пренапрежение предлага имунитет към LDO от преходни процеси и пренапрежения или пикове с високо напрежение. Това е и допълнителна функция, предлагана от различни LDO. Защитата на изходното късо съединение е форма на защита от свръхток. Ако натоварването стане късо, функцията за защита от късо съединение на LDO изключва товара от входящото захранване. Термичната защита работи, когато LDO се нагрява. По време на нагряване, веригата за термична защита спира LDO да работи, за да предотврати допълнителни повреди по него.

Допълнителни функции

LDO могат да имат два допълнителни щифта за управление на логическо ниво за комуникация с входа на микроконтролера. Активиране на пина, често наричан EN и това е входен щифт на LDO. Един прост микроконтролер може да промени състоянието на EN щифта на LDO, за да активира или деактивира изходната мощност. Това е удобна функция, когато натоварванията трябва да бъдат включени или изключени за целите на приложението.

Пинът Power Good е изходен щифт от LDO. Този щифт може да бъде свързан и с микроконтролер, за да осигури логика ниска или висока в зависимост от състоянието на мощността. Въз основа на състоянието на захранването, микроконтролерът може да получи информация за състоянието на захранването през LDO.

Ограничения на LDO

Въпреки че LDO предлага подходящ изход при ниско напрежение на отпадане, все пак има някои ограничения. Основното ограничение на LDO е ефективността. Вярно е, че LDO е по-добър от стандартните линейни регулатори по отношение на разсейването на мощността и ефективността, но все още е лош избор за преносимите операции, свързани с батерията, където ефективността е основната грижа. Ефективността става дори лоша, ако входното напрежение е значително по-високо от изходното напрежение. Разсейването на топлината се увеличава, когато падането на напрежението е по-голямо. Излишната отпадъчна енергия, която се трансформира като топлина и изисква радиатор, доведе до увеличаване на площта на печатни платки, както и до разходи за компоненти. За по-добра ефективност превключващите регулатори все още са най-добрият избор пред линейните регулатори, особено LDO.

Трябва ли да използвам LDO за следващия си дизайн?

Тъй като LDO предлагат много ниско напрежение на отпадане, добре е да изберете LDO само когато желаното изходно напрежение е много близо до наличното входно напрежение. Въпросите по-долу могат да ви помогнат да определите дали дизайнът на веригата ви всъщност се нуждае от LDO

Желаното изходно напрежение близо ли е до наличното входно напрежение? Ако да, тогава колко? Добре е да използвате LDO, ако разликата между входното напрежение и изходното напрежение е по-малка от 300mV
Приема ли се 50-60% от ефективността за желаното приложение?
Захранването с ниско ниво на шум е необходимо?
Ако цената е проблем и просто, по-нисък брой части, е необходимо решение за спестяване на място.
Ще бъде ли твърде скъпо и обемисто да добавите превключваща верига?

Ако сте отговорили с „ДА“ за всички горепосочени въпроси, тогава LDO може да е добър избор. Но каква ще бъде спецификацията на LDO? Е, това зависи от следните параметри.

Изходно напрежение.
Минимално и максимално входно напрежение.
Изходен ток.
Пакет от LDO.
Цената и наличността.
Опцията Enable and Disable е задължителна или не.
За приложението са необходими допълнителни опции за защита. Като например защита от пренапрежение, UVLO и OVLO и др.

LDO - Примерен дизайн

Нека разгледаме практически случай, в който LDO ще бъде задължителен. Да предположим, че е необходимо евтино, просто, спестяващо пространство решение за преобразуване на изхода на литиевата батерия 3.7V в стабилен 3.3V 500mA източник с кратко ограничение на тока и термична защита. Решението за захранване трябва да бъде свързано с микроконтролер, за да се активира или деактивира известно натоварване и ефективността може да бъде 50-60%. Тъй като се нуждаем от просто и евтино решение, можем да изключим дизайна на превключващия регулатор.

Литиевата батерия може да осигури 4.2V при пълно зареждане и 3.2V при напълно празно състояние. Следователно, LDO може да се контролира, за да се изключи натоварването при ниско напрежение, като се усети входното напрежение на LDO от микроконтролера.

За сумеризиране се нуждаем от 3.3V изходно напрежение, 500mA ток, опция за активиране на щифтове, нисък брой части, около 300-400 mV изисквания за отпадане, изходна защита срещу късо съединение заедно с функция за термично изключване, за това приложение моят личен избор на LDO е MCP1825 - 3.3V регулатор на фиксирано напрежение от микрочип.

Пълният списък с функции може да се види на изображението по-долу, взето от листа с данни -

По-долу е дадена електрическата схема на MCP1825 заедно с извода. Схемата е предоставена и в листа с данни, като по този начин, като просто свържете няколко външни компонента като резистор и кондензатор, можем лесно да използваме LDO, за да регулираме необходимото напрежение с минимално напрежение.

LDO - PCB насоки за проектиране

След като сте решили LDO и сте го тествали да работи за вашия дизайн, можете да продължите с проектирането на печатната платка за вашата схема. Следват няколкото съвета, които трябва да запомните, докато проектирате печатни платки за LDO компоненти.

Ако се използва SMD пакет, от съществено значение е да се осигури подходяща медна площ в печатни платки, тъй като LDOs разсейват топлините.
Дебелината на медта допринася основно за безпроблемната работа. Дебелината на медта от 2 Oz (70um) ще бъде добър избор.
C1 и C2 трябва да бъдат възможно най- близо до MCP1825.
Плътната земна равнина се изисква за проблеми, свързани с шума.
Използвайте Vias за правилно разсейване на топлината в двустранни печатни платки.