Ymmärtäminen matalasta

Nykyään elektronisten laitteiden koko on kutistunut kuin koskaan ennen. Tämä antaa meille mahdollisuuden pakata pienikokoisten kannettavien laitteiden ominaisuuksien sävyjä, kuten älykellot, kuntoseurannat ja muut puettavat laitteet, ja se auttaa meitä myös ottamaan käyttöön IoT-etälaitteita karjan seurantaan, omaisuuden seurantaan jne. Yksi yhteinen asia kaikkien näiden kannettavien laitteiden joukossa on, että ne ovat paristokäyttöisiä. Ja kun laitetta käytetään akkukäytössä, on tärkeää, että suunnitteluinsinöörit valitsevat komponentit, jotka säästävät suunnittelussaan jokaista millijännitettä, jotta laitetta käytettäisiin pidempään käytettävissä olevalla akkumehulla. Kun tällainen komponentti on matalan pudotuksen jännitteen säädin (LDO). Tässä artikkelissa opimme lisää LDO: sta ja siitä, kuinka valita oikea piirisi suunnittelulle.

Mikä on elektroniikan säädin?

Säädin on laite tai hyvin suunniteltu mekanismi, joka säätelee jotain, tässä jotain viittaa yleensä virran jännitteeseen. On olemassa kahdenlaisia sääntelyviranomaisten käytetään pääasiassa elektroniikka-, joista ensimmäinen on hakkurisäätimen ja toinen on lineaarinen säädin. Heillä molemmilla on erilainen toimiva arkkitehtuuri ja alijärjestelmä, mutta emme keskustele niistä tässä artikkelissa. Mutta yksinkertaisesti sanottuna, jos säädin ohjaa lähtövirtaa, sitä kutsutaan virran säätimeksi. Samasta näkökulmasta jännitteen säätimiä käytetään jännitteen ohjaamiseen.

Ero LDO: n ja lineaaristen säätimien välillä

Lineaariset säätimet ovat yleisimpiä laitteita, joita käytetään virransyötön säätelyssä, ja useimmat meistä ovat perehtyneitä laitteisiin, kuten 7805, LM317. Lineaarisen säätimen käytön haittapuoli akkukäyttöisissä sovelluksissa on kuitenkin se, että tässä lineaarisen säätimen tulojännitteen on aina oltava suurempi kuin säädetty lähtöjännite. Merkitys, tulojännitteiden ja lähtöjännitteen erot ovat suuria. Siksi tavallisilla lineaarisilla säätimillä on joitain rajoituksia, kun säädetyn lähtöjännitteen vaaditaan olevan tulojännitteen lähellä oleva arvo.

LDO: n toiminta

LDO on osa lineaarista säätelydynastiaa. Mutta toisin kuin normaalit lineaariset säätimet, LDO: ssa tulojännitteen ja lähtöjännitteen ero on pienempi. Tätä eroa kutsutaan pudotusjännitteeksi. Koska LDO: lla on erittäin pieni pudotusjännite, sitä kutsutaan matalan pudotuksen jännitteen säätimiksi. Voit ajatella LDO: n lineaarista vastusta, joka on palssioitu sarjaan kuormituksen kanssa jännitteen vähentämiseksi vaaditulle tasolle. LDO: n etuna on, että jännitehäviö sen yli on paljon pienempi kuin vastus.

Koska LDO tarjoaa pienen katkaisujännitteen tulon ja lähdön välillä, se voi toimia, vaikka tulojännite olisi suhteellisen lähellä lähtöjännitettä. Jännitteen pudotus LDO: n välillä on enintään 300 mV - 1,5 V. Joissakin LDO: ssa jännite-erot ovat jopa alle 300 mV.

Yllä oleva kuva esittää yksinkertaista LDO-rakennetta, jossa on suunniteltu suljetun piirin järjestelmä. Tulojännitteestä luodaan referenssijännite ja syötetään differentiaalivahvistimeen. Lähtöjännite tunnistetaan jännitteenjakajalla ja syötetään jälleen differentiaalivahvistimen tulotappiin. Näistä kahdesta arvosta, vertailujännitteen ja jännitteenjakajan lähteistä riippuen, vahvistin tuottaa lähdön. Tämä lähtö ohjaa muuttuvaa vastusta. Näin ollen kuka tahansa näiden kahden arvo voi muuttaa vahvistimen lähtöä. Tässä jänniteohjeen on oltava vakaa toisen tarkan tunnistamiseksi. Kun vertailujännite on vakaa, pieni lähtöjännitteen vaihtelu heijastuu differentiaalivahvistimen tuloon vastuksenjakajan kautta.Vahvistin ohjaa sitten muuttuvaa vastusta vakaan ulostulon aikaansaamiseksi. Toisaalta jänniteohjearvo ei ole riippuvainen tulojännitteestä ja tarjoaa vakaan referenssin differentiaalivahvistimessa, mikä tekee siitä immuunin ohimeneville muutoksille ja tekee myöslähtöjännite riippumatta tulojännitteestä. Tässä esitetty muuttuva vastus korvataan normaalisti tehokkaalla MOSFET: llä tai JFET: llä. Bipolaarisia transistoreita ei käytetä LDO: ssa virran ja lämmöntuotannon ylimääräisten vaatimusten vuoksi, mikä johtaa heikkoon hyötysuhteeseen.

Parametrit, jotka on otettava huomioon LDO: ta valittaessa

Perusominaisuudet

Koska se on välttämätön laite oikean virransyötön varmistamiseksi kuormalle, ensimmäinen avainominaisuus on kuormituksen säätö ja vakaa lähtö. Oikea kuormituksen säätö on välttämätöntä kuormitusvirran muutosten aikana. Kun kuormitus kasvaa tai pienenee sen virrankulutusta, säätimen lähtöjännitteen ei pitäisi vaihdella. Lähtöjännitteen vaihtelu mitataan mV-alueella virran ampeeria kohti ja kutsutaan tarkkuuksiksi. Lähtöjännite tarkkuus on LDO vaihtelee 5 mV 50 mV alueella, joka on muutama prosentti lähtöjännitteen.

Turvallisuus- ja suojausominaisuudet

LDO tarjoaa perusturvaominaisuudet varmistamalla oikean virransyötön koko ulostulossa. Turvaominaisuudet mukautetaan suojapiireillä tulon ja lähdön yli. Suojapiirit ovat alijännitesuoja (UVLO), ylijännitesuoja (OVLO), ylijännitesuoja, lähdön oikosulkusuoja ja lämpösuoja.

Joissakin tilanteissa säätimelle syötetty tulojännite saattaa pudota huomattavasti matalaksi tai nousta suureksi. Tämä johtaa virheelliseen jännitteeseen ja virtaan LDO: sta, mikä vahingoittaa kuormitustamme. Jos tulojännite LDO: n yli on rajojen ulkopuolella, UVLO- ja OVLO-suojaus laukaistaan LDO: n ja kuorman suojaamiseksi. UVLO: n alaraja ja enimmäisjänniterajat voidaan asettaa yksinkertaisten jännitteenjakajien avulla.

Ylijännitesuojapiiri tarjoaa LDO: lle immuniteetteja transienteista ja suurjännitepiikeistä tai piikkeistä. Se on myös lisäominaisuus, jota eri LDO: t tarjoavat. Lähdön oikosulkusuojaus on eräänlainen ylivirtasuoja. Jos kuormitus oikosulussa, LDO: n oikosulkusuojaus katkaisee kuorman syöttöjännitteestä. Lämpösuoja toimii, kun LDO lämpenee. Lämmitystoiminnan aikana lämpösuojapiiri estää LDO: n toimimasta estääkseen sen uudet vahingot.

Lisäominaisuuksia

LDO: lla voi olla kaksi ylimääräistä logiikkatason ohjaustappia kommunikoida mikro-ohjaimen tulon kanssa. Ota tappi käyttöön, jota usein kutsutaan EN: ksi, ja tämä on LDO: n tulotappi. Yksinkertainen mikro-ohjain voi muuttaa LDO: n EN-nastan tilaa voidakseen ottaa käyttöön tai poistaa käytöstä tehon. Tämä on kätevä ominaisuus, kun kuormat on kytkettävä päälle tai pois sovellustarkoituksia varten.

Power Good -tappi on LDO: n lähtötappi. Tämä tappi voidaan myös liittää mikrokontrolleriyksikköön logiikan aikaansaamiseksi matalaksi tai korkeaksi riippuen teho-olosuhteista. Virtatilan hyvän nastan perusteella mikro-ohjainyksikkö voi saada tietoja virran tilasta LDO: n kautta.

LDO: n rajoitukset

Vaikka LDO tarjoaa oikean lähdön pienellä katkaisujännitteellä, silti sillä on joitain rajoituksia. LDO: n suurin rajoitus on tehokkuus. On totta, että LDO on parempi kuin tavalliset lineaariset säätimet virrankulutuksen ja tehokkuuden suhteen, mutta se on silti huono valinta kannettaviin akuihin liittyviin toimintoihin, joissa hyötysuhde on suurin huolenaihe. Tehokkuus heikkenee jopa, jos tulojännite on merkittävästi lähtöjännitettä suurempi. Lämmöntuotto kasvaa, kun jännitehäviö on suurempi. Ylimääräinen jäteenergia, joka muunnetaan lämpöksi ja vaatii jäähdytyselementin, johti PCB-alueen kasvuun ja aiheutti komponenttikustannuksia. Paremman tehokkuuden saavuttamiseksi vaihtosäätimet ovat edelleen paras valinta lineaaristen säätimien, etenkin LDO: n, sijaan.

Pitäisikö minun käyttää LDO: ta seuraavaan suunnitteluuni?

Koska LDO: t tarjoavat erittäin pienen katkaisujännitteen, on hyvä valita LDO vain, kun haluttu lähtöjännite on hyvin lähellä käytettävissä olevaa tulojännitettä. Seuraavat kysymykset voivat auttaa sinua selvittämään, tarvitsetko piirisuunnittelulle todella LDO: ta

Onko haluttu lähtöjännite lähellä käytettävissä olevaa tulojännitettä? Jos kyllä, niin kuinka paljon? LDO: ta on hyvä käyttää, jos tulojännitteen ja lähtöjännitteen ero on alle 300 mV
Onko 50-60% hyötysuhteesta hyväksytty haluttuun sovellukseen?
Hiljainen virtalähde on tarve?
Jos kustannukset ovat ongelmallisia ja yksinkertainen, pienempi osa laskee, tarvitaan tilaa säästävä ratkaisu.
Onko kytkentäpiirin lisääminen liian kallista ja tilaa vievää?

Jos olet vastannut ”KYLLÄ” kaikkiin yllä oleviin kysymyksiin, LDO saattaa olla hyvä valinta. Mutta mikä on LDO: n eritelmä? No, se riippuu alla olevista parametreista.

Ulostulojännite.
Pienin ja suurin tulojännite.
Lähtövirta.
Pakkaus LDO: ita.
Kustannukset ja saatavuus.
Ota käyttöön ja poista käytöstä -vaihtoehto vaaditaan.
Lisäsuojausvaihtoehdot, joita tarvitaan sovelluksessa. Kuten ylivirtasuoja, UVLO ja OVLO jne.

Suosittuja LDO: ita markkinoilla

Jokaisella virtapiirin valmistajalla, kuten Texas Instruments, Linear Technology jne., On myös joitain ratkaisuja LDO: lle. Texas Instrumentsilla on laaja valikoima LDO: ita erilaisista suunnittelutarpeista riippuen, alla oleva kaavio osoittaa sen valtavan LDO-kokoelman, jolla on laaja valikoima lähtövirtaa ja tulojännitettä.

Vastaavasti, Linear teknologia, mistä Analog Devices on myös joitakin korkean suorituskyvyn vähän näkyviin Regulators.

LDO - esimerkkisuunnittelu

Tarkastellaan käytännön tapausta, jossa LDO on pakollinen. Oletetaan, että tarvitaan edullinen, yksinkertainen ja tilaa säästävä ratkaisu 3,7 V: n litiumakun muuntamiseksi vakaana 3,3 V 500 mA: n lähteeksi, jossa on lyhyt virtaraja ja lämpösuojaus. Tehoratkaisu on kytkettävä mikrokontrolleriin jonkin kuorman ottamiseksi käyttöön tai poistamiseksi käytöstä, ja hyötysuhde voi olla 50-60%. Koska tarvitsemme yksinkertaisen ja edullisen ratkaisun, voimme sulkea pois kytkentäsäätimen mallit.

Litiumakku voi tuottaa 4,2 V täydessä lataustilassa ja 3,2 V täysin tyhjässä tilassa. Siksi LDO: ta voidaan ohjata kuorman irrottamiseksi pienjännitetilanteessa tunnistamalla mikro-ohjainyksikön LDO: n tulojännite.

Lyhyesti sanottuna tarvitsemme 3,3 V: n lähtöjännitteen, 500 mA: n virran, Ota käyttöön nastavaihtoehto, pienet osamäärät, noin 300–400 mV: n pudotusvaatimukset, lähdön oikosulkusuojaus yhdessä lämpösammutusominaisuuden kanssa, tälle sovellukselle henkilökohtainen valintani LDO on MCP1825 - 3,3 V kiinteän jännitteen säädin mikrosirulla.

Koko ominaisuusluettelo näkyy alla olevassa kuvassa, joka on otettu lomakkeesta -

Alla on MCP1825: n kytkentäkaavio ja pin-out. Kaavio on esitetty myös lomakkeessa, joten yksinkertaisesti yhdistämällä muutama ulkoinen komponentti, kuten vastus ja kondensaattori, voimme helposti käyttää LDO: ta säätämään tarvittavaa jännitettä pienimmällä jännitteen dorpilla.

LDO - PCB-suunnitteluohjeet

Kun olet päättänyt LDO: n ja testannut sen toimivan suunnittelusi kannalta, voit jatkaa piirilevyn piirilevyn suunnittelua. Seuraavassa on muutamia vinkkejä, jotka kannattaa muistaa suunniteltaessa piirilevyä LDO-komponenteille.

Jos käytetään SMD-pakettia, on välttämätöntä tarjota asianmukainen kuparipinta-ala piirilevyissä, koska LDO: t hävittävät lämmön.
Kuparin paksuus on tärkeä tekijä häiriöttömässä käytössä. 2 oz: n (70um) kuparipaksuus on hyvä valinta.
C1: n ja C2: n on oltava mahdollisimman lähellä MCP1825: tä.
Paksu maataso vaaditaan meluun liittyvissä asioissa.
Käytä Viasia lämmön oikeaan johtamiseen kaksipuolisissa piirilevyissä.