Pochopení nízké

Dnes se elektronická zařízení zmenšila co do velikosti než kdykoli předtím. To nám umožňuje zabalit do tónů funkcí v kompaktních přenosných zařízeních, jako jsou chytré hodinky, fitness trackery a další nositelná zařízení, ale také nám pomáhá nasadit vzdálená zařízení IoT pro sledování dobytka, sledování majetku atd. Jedna společná věc mezi všemi těmito přenosnými zařízeními je to, že jsou napájeny z baterie. A když je zařízení napájeno z baterie, je důležité, aby konstruktéři vybrali součásti, které ve své konstrukci šetří každý milivolt, aby zařízení provozovaly delší dobu s dostupnou šťávou z baterie. Jednou takovou komponentou je Low-Dropout Voltage Regulator (LDO). V tomto článku se dozvíte více o LDO a jak vybrat ten správný pro váš návrh obvodu.

Co je regulátor v elektronice?

Regulátor je zařízení nebo dobře navržený mechanismus, který něco reguluje, zde něco obvykle odkazuje na napětí proudu. V elektronice se používají hlavně dva typy regulátorů, první je spínací a druhý lineární. Oba mají odlišnou pracovní architekturu a subsystém, ale nebudeme o nich diskutovat v tomto článku. Jednoduše řečeno, pokud regulátor reguluje výstupní proud, nazývá se to proudový regulátor. Ze stejného hlediska se k řízení napětí používají regulátory napětí.

Rozdíl mezi LDO a lineárními regulátory

Lineární regulátory jsou nejběžnější zařízení používaná k regulaci napájení a většina z nás bude znát zařízení jako 7805, LM317. Nevýhodou použití lineárního regulátoru v bateriových aplikacích je však to, že zde je vždy nutné, aby vstupní napětí lineárního regulátoru bylo vyšší než regulované výstupní napětí. To znamená, že rozdíly mezi vstupním napětím a výstupním napětím jsou vysoké. Proto standardní lineární regulátory mají určitá omezení, když je požadováno, aby regulované výstupní napětí bylo blízkou hodnotou vstupního napětí.

Práce LDO

LDO je součástí dynastie lineárních regulátorů. Ale na rozdíl od normálních lineárních regulátorů je u LDO rozdíl mezi vstupním napětím a výstupním napětím menší. Tento rozdíl se nazývá výpadkové napětí. Vzhledem k tomu, že LDO má velmi nízké výpadkové napětí, nazývá se regulátory nízkého výpadku napětí. Můžete si myslet, že LDO je lineární rezistor zapojený do série se zátěží, aby se snížilo napětí na požadovanou úroveň. Výhodou LDO je to, že pokles napětí na něm bude mnohem menší než odpor.

Protože LDO nabízí nízké výpadkové napětí mezi vstupem a výstupem, může fungovat, i když je vstupní napětí relativně blízké výstupnímu napětí. Pokles napětí na LDO bude maximálně mezi 300 mV až 1,5 V. U některých LDO jsou rozdíly napětí dokonce menší než 300 mV.

Výše uvedený obrázek ukazuje jednoduchou konstrukci LDO, kde je navržen systém s uzavřenou smyčkou. Ze vstupního napětí je vytvořeno referenční napětí a přiváděno do diferenciálního zesilovače. Výstupní napětí je snímáno děličem napětí a znovu přiváděno na vstupní kolík diferenciálního zesilovače. V závislosti na těchto dvou hodnotách, výstupu z referenčního napětí a výstupu z děliče napětí, produkuje zesilovač výstup. Tento výstup řídí proměnný rezistor. Kdokoli by hodnota těchto dvou mohla změnit výstup zesilovače. Zde je potřebná referenční hodnota napětí, aby byla stabilní, aby přesně snímala druhou. Když je referenční napětí stabilní, odráží se malá odchylka výstupního napětí na vstupu diferenciálního zesilovače přes odporový dělič.Zesilovač poté ovládá proměnný rezistor, aby poskytoval stabilní výstup. Naproti tomu reference napětí nezávisí na vstupním napětí a poskytuje stabilní referenci napříč diferenciálním zesilovačem, díky čemuž je imunní vůči přechodným změnám a také dělávýstupní napětí nezávislé na vstupním napětí. Zde zobrazený proměnný rezistor bude obvykle nahrazen účinným MOSFET nebo JFET v konstrukci aktuálně. Bipolární tranzistory se v LDO nepoužívají kvůli zvláštním požadavkům na generování proudu a tepla, které vedou ke špatné účinnosti.

Parametry, které je třeba vzít v úvahu při výběru vašeho LDO

Základní funkce

Jelikož se jedná o základní zařízení zajišťující správné dodávání energie do zátěže, první klíčovou vlastností je regulace zátěže a stabilní výstup. Při změnách zatěžovacího proudu je nezbytná správná regulace zátěže. Když zátěž zvyšuje nebo snižuje její aktuální spotřebu, nemělo by kolísat výstupní napětí z regulátoru. Kolísání výstupního napětí se měří v mV rozsahu na ampér proudu a nazývá se jako přesnost. Přesnost výstupní napětí z LDO se pohybuje v rozmezí od 5mV až 50 mV rozmezí, několika procentech výstupního napětí.

Bezpečnostní a ochranné funkce

LDO nabízí základní bezpečnostní prvky zajištěním správného přenosu energie napříč výstupem. Bezpečnostní prvky jsou přizpůsobeny pomocí ochranných obvodů napříč vstupem a výstupem. Ochranné obvody jsou ochrana proti podpětí (UVLO), ochrana proti přepětí (OVLO), ochrana proti přepětí, ochrana proti zkratu na výstupu a tepelná ochrana.

V některých situacích může vstupní napětí dodávané regulátoru výrazně poklesnout nebo vzrůst na vysokou hodnotu. To má za následek nesprávný výstup napětí a proudu z LDO, který poškodí naši zátěž. Pokud je vstupní napětí na LDO nad limity, spustí se ochrana UVLO a OVLO pro ochranu LDO a zátěže. Dolní limit pro UVLO a maximální limity vstupního napětí lze nastavit pomocí jednoduchých děličů napětí.

Okruh přepěťové ochrany nabízí imunitu vůči LDO před přechodovými jevy a přepětími nebo hroty vysokého napětí. Je to také další funkce nabízená různými LDO. Ochrana proti zkratu na výstupu je formou nadproudové ochrany. Pokud dojde ke zkratu zátěže, funkce ochrany LDO proti zkratu odpojí zátěž od vstupního napájecího zdroje. Tepelná ochrana funguje, když se LDO zahřeje. Během zahřívacího procesu zastaví obvod tepelné ochrany funkci LDO, aby zabránil jejímu dalšímu poškození.

Další funkce

LDO mohou mít dva další ovládací kolíky logické úrovně pro komunikaci se vstupem mikrokontroléru. Povolte pin, který se často označuje jako EN, a toto je vstupní pin LDO. Jednoduchý mikrokontrolér může změnit stav EN pinu LDO a tím povolit nebo zakázat výkon. Toto je užitečná funkce, když je třeba pro účely aplikace zatížení zapnout nebo vypnout.

Power Good pin je výstupní pin z LDO. Tento kolík lze také spojit s jednotkou mikrokontroléru, aby byla zajištěna logická nízká nebo vysoká v závislosti na stavu napájení. Na základě stavu dobrého napájecího kolíku může jednotka mikrokontroléru získat informace o stavu napájení napříč LDO.

Omezení LDO

Ačkoli LDO nabízí správný výstup při nízkém výpadku napětí, stále má určitá omezení. Hlavním omezením LDO je účinnost. Je pravda, že LDO je lepší než standardní lineární regulátory, pokud jde o ztrátový výkon a účinnost, ale stále je to špatná volba pro operace související s přenosnými bateriemi, kde je hlavním zájmem účinnost. Účinnost je ještě slabší, pokud je vstupní napětí výrazně vyšší než výstupní napětí. Rozptyl tepla se zvyšuje, když je pokles napětí vyšší. Přebytečná odpadní energie, která se transformuje jako teplo a vyžaduje chladič, měla za následek zvětšení plochy PCB a také náklady na komponenty. Pro lepší účinnost jsou spínací regulátory stále tou nejlepší volbou oproti lineárním regulátorům, zejména LDO.

Mám použít LDO pro svůj další design?

Protože LDO nabízejí velmi nízké výpadkové napětí, je dobré zvolit LDO pouze tehdy, když je požadované výstupní napětí velmi blízké dostupnému vstupnímu napětí. Níže uvedené otázky vám pomohou určit, zda návrh obvodu skutečně potřebuje LDO

1. Je požadované výstupní napětí blízké dostupnému vstupnímu napětí? Pokud ano, tak kolik? Je dobré použít LDO, pokud je rozdíl mezi vstupním napětím a výstupním napětím menší než 300 mV
2. Je pro požadovanou aplikaci přijato 50–60% účinnosti?
3. Je potřeba nízkošumový napájecí zdroj?
4. Pokud je cena problémem a jednoduchá, s nižším počtem dílů, je zapotřebí řešení šetřící místo.
5. Bude příliš drahé a objemné přidat spínací obvod?

Pokud jste u všech výše uvedených otázek odpověděli „ANO“, pak může být dobrou volbou LDO. Jaká však bude specifikace LDO? Záleží na níže uvedených parametrech.

• Výstupní napětí.
• Minimální a maximální vstupní napětí.
• Výstupní proud.
• Balíček LDO.
• Cena a dostupnost.
• Možnost Povolit a Zakázat je vyžadována nebo ne.
• Další možnosti ochrany, které jsou pro aplikaci vyžadovány. Například ochrana proti nadproudu, UVLO a OVLO atd.

Populární LDO na trhu

Každý jednotlivý výrobce výkonových integrovaných obvodů, jako jsou Texas Instruments, Linear Technology atd., Má také některá řešení pro LDO. Společnost Texas Instruments má širokou škálu LDO v závislosti na různých konstrukčních potřebách, níže uvedená tabulka ukazuje jeho obrovskou sbírku LDO se širokou škálou výstupního proudu a vstupního napětí.

Podobně, Linear Technology, od Analog Devices má i některé vysoce výkonné Low Dropout regulátory.

LDO - ukázkový design

Zvažme praktický případ, kdy bude LDO povinné. Předpokládejme, že pro převod výstupu lithiové baterie 3,7 V na stabilní zdroj 3,3 V 500 mA s krátkodobým omezením proudu a tepelnou ochranou je zapotřebí levné, jednoduché a prostorově úsporné řešení. Energetické řešení musí být spojeno s mikrokontrolérem, aby bylo možné nebo zakázat určité zatížení, a účinnost může být 50-60%. Protože potřebujeme jednoduché a levné řešení, můžeme vyloučit návrhy spínacího regulátoru.

Lithiová baterie může poskytovat 4,2 V při plném nabití a 3,2 V při zcela vybitém stavu. Proto lze LDO řídit tak, aby odpojilo zátěž při nízkém napětí snímáním vstupního napětí LDO jednotkou mikrokontroléru.

Abychom to shrnuli, potřebujeme výstupní napětí 3,3 V, proud 500 mA, možnost aktivace pinů, nízké počty součástek, požadavky na výpadek kolem 300-400 mV, ochrana proti zkratu výstupu spolu s funkcí tepelného vypnutí, pro tuto aplikaci je můj osobní výběr LDO MCP1825 - 3,3 V pevný regulátor napětí pomocí mikročipu.

Celý seznam funkcí je uveden na následujícím obrázku převzatém z datového listu -

Níže je schéma zapojení MCP1825 spolu s vývodem. Schéma je také uvedeno v datovém listu, takže jednoduchým připojením několika externích komponent, jako je rezistor a kondenzátor, můžeme snadno použít náš LDO k regulaci požadovaného napětí s minimálním poklesem napětí.

Pokyny k návrhu LDO - PCB

Jakmile se rozhodnete pro LDO a otestujete jej, aby fungoval pro váš návrh, můžete pokračovat s návrhem desky plošných spojů pro váš obvod. Následuje několik tipů, které byste si měli pamatovat při navrhování desky plošných spojů pro komponenty LDO.

1. Pokud je použit SMD balíček, je nezbytné zajistit správnou měděnou oblast v PCB, protože LDO rozptylují teplo.
2. Tloušťka mědi významně přispívá k bezproblémovému provozu. Tloušťka mědi 2 Oz (70 um) bude dobrou volbou.
3. C1 a C2 musí být co nejblíže k MCP1825.
4. Silná zemní rovina je vyžadována pro problémy související s hlukem.
5. Použijte Vias pro správný odvod tepla v oboustranných PCB.