Alacsony megértése

Mára az elektronikus eszközök mérete minden eddiginél zsugorodott. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy kompakt hordozható eszközökben, például intelligens órákban, fitneszkövetőkben és egyéb hordozható eszközökben tároljuk a funkciókat, és segítséget nyújtunk távoli IoT-eszközök telepítéséhez szarvasmarhafigyeléshez, eszközkövetéshez stb. hogy akkumulátorral működnek. Amikor egy eszköz akkumulátorról működik, fontos, hogy a tervező mérnökök olyan alkatrészeket válasszanak, amelyek minden millij voltot megtakarítanak a tervezésük során, hogy a készüléket hosszabb ideig működtessék a rendelkezésre álló akkumulátorlével. Miután ez az alkatrész az alacsony kiesésű feszültségszabályozó (LDO). Ebben a cikkben többet megtudunk az LDO-ról és arról, hogy miként választhatjuk ki az áramkörtervezéshez megfelelőt.

Mi az a szabályozó az elektronikában?

A szabályozó olyan eszköz vagy jól megtervezett mechanizmus, amely valamit szabályoz, itt a valami általában az áram feszültségére utal. Kétféle szabályozó létezik, amelyeket főként az elektronikában használnak, az első kapcsolószabályozó, a második pedig a lineáris szabályozó. Mindkettőjüknek eltérő a működési architektúrája és az alrendszere, de ebben a cikkben nem tárgyaljuk őket. De leegyszerűsítve: ha egy szabályozó vezérli a kimeneti áramot, akkor áramszabályozónak hívják. Ugyanezen szempontból a feszültségszabályozókat használják a feszültség szabályozására.

Különbség az LDO és a lineáris szabályozók között

A lineáris szabályozók a leggyakoribb eszközök az áramellátás szabályozásához, és a legtöbben ismerjük az olyan eszközöket, mint a 7805, LM317. De a lineáris szabályozó akkumulátoros alkalmazásokban történő alkalmazásának hátránya, hogy itt a lineáris szabályozó bemeneti feszültségének mindig nagyobbnak kell lennie, mint a szabályozott kimeneti feszültség. Vagyis a bemeneti feszültség és a kimeneti feszültség közötti különbség nagy. Ezért a szokásos lineáris szabályozóknak vannak bizonyos korlátai, amikor a szabályozott kimeneti feszültségnek a bemeneti feszültség közeli értékének kell lennie.

Egy LDO működése

Az LDO a lineáris szabályozó dinasztia része. De, ellentétben a normál lineáris szabályozókkal, egy LDO-ban kisebb a különbség a bemeneti feszültség és a kimeneti feszültség között. Ezt a különbséget kiesési feszültségnek nevezzük. Mivel az LDO nagyon alacsony kiesési feszültséggel rendelkezik, alacsony kiesésű feszültség szabályozóként hívják. Gondolhat egy LDO-ra, egy lineáris ellenállásra, amelyet sorba viszünk a terheléssel, hogy a feszültséget a kívánt szintre csökkentsük. Az LDO-nak az az előnye, hogy a feszültségesés jóval kisebb lesz, mint egy ellenállás.

Mivel az LDO alacsony kiesési feszültséget kínál a bemenet és a kimenet között, akkor is működhet, ha a bemeneti feszültség viszonylag közel van a kimeneti feszültséghez. Az LDO feszültségesése 300 mV és 1,5 V között lesz. Egyes LDO-kban a feszültségkülönbségek még kisebbek, mint 300 mV.

A fenti kép egy egyszerű LDO konstrukciót mutat be, ahol egy zárt rendszerű rendszert terveznek. A bemeneti feszültségből referenciafeszültség jön létre, amelyet egy differenciálerősítőbe táplálnak. A kimeneti feszültséget egy feszültségosztó érzékeli és ismét a differenciálerősítő bemeneti tüskéjébe táplálja. E két értéktől, a referenciafeszültség kimenetétől és a feszültségosztó kimenetétől függően az erősítő kimenetet produkál. Ez a kimenet vezérli a változó ellenállást. Ezért ennek a kettőnek bárki értéke megváltoztathatja az erősítő kimenetét. Itt a feszültség referenciára van szükség ahhoz, hogy stabil legyen a másik pontos érzékeléséhez. Ha a referenciafeszültség stabil, a kimeneti feszültség kicsi változása tükröződik a differenciálerősítő bemenetén az ellenállásosztón keresztül.Ezután az erősítő vezérli a változó ellenállást, hogy stabil kimenetet biztosítson. Másrészt a feszültségreferencia nem függ a bemeneti feszültségtől, és stabil referenciát biztosít a differenciálerősítőn keresztül, immunisá téve az átmeneti változásokra, és emellett akimeneti feszültség független a bemeneti feszültségtől. Az itt bemutatott változó ellenállást normál esetben egy hatékony MOSFET vagy JFET váltja fel. A bipoláris tranzisztorokat nem használják az LDO-k az áram- és hőtermelés extra követelményei miatt, ami gyenge hatékonysághoz vezet.

Az LDO kiválasztása során figyelembe veendő paraméterek

Alapvető funkciók

Mivel ez elengedhetetlen eszköz a terhelés megfelelő áramellátásának biztosításához, az első legfontosabb jellemző a terhelés szabályozása és a stabil kimenet. A terhelés áramának változásakor elengedhetetlen a megfelelő terhelésszabályozás. Amikor a terhelés növekszik vagy csökken az áramfogyasztása, a szabályozó kimeneti feszültségének nem szabad ingadoznia. A kimeneti feszültség ingadozását mV tartományban / áram amperenként mérjük, és pontosságnak nevezzük. Az LDO kimeneti feszültségének pontossága 5mV és 50mV tartomány között mozog, a kimeneti feszültség néhány százaléka.

Biztonsági és védelmi jellemzők

Az LDO alapvető biztonsági funkciókat kínál azáltal, hogy biztosítja a teljes áramellátást a kimeneten. A biztonsági funkciókat a bemeneti és kimeneti védelmi áramkörök segítségével alkalmazzák. A védelmi áramkörök alulfeszültség-védelem (UVLO), túlfeszültség-védelem (OVLO), túlfeszültség-védelem, kimeneti rövidzárlat-védelem és hővédelem.

Bizonyos helyzetekben a szabályozó számára biztosított bemeneti feszültség jelentősen alacsonyra csökkenhet, vagy magas értékre nőhet. Ez az LDO nem megfelelő feszültségét és áramát eredményezi, ami károsítja a terhelésünket. Ha az LDO bemeneti feszültsége meghaladja a határértékeket, akkor az UVLO és OVLO védelem aktiválódik az LDO és a terhelés védelme érdekében. Az UVLO alsó határát és a maximális bemeneti feszültséghatárokat egyszerű feszültségosztókkal lehet beállítani.

A túlfeszültség-védelmi áramkör immunitást nyújt az LDO számára a tranziensektől és a nagyfeszültségű túlfeszültségektől vagy tüskéktől. Ez a különféle LDO-k által kínált kiegészítő szolgáltatás is. A kimeneti rövidzárlat-védelem a túláramvédelem egyik formája. Ha a terhelés rövidre záródik, az LDO rövidzárlat-védelmi funkciója leválasztja a terhelést a bemeneti tápegységről. A hővédelem akkor működik, amikor az LDO felmelegszik. Melegedés közben a hővédő áramkör megakadályozza az LDO működését, hogy megakadályozza annak további károsodását.

További jellemzők

Az LDO-k két további logikai szintű vezérlő tűvel rendelkezhetnek a mikrovezérlő bemenetével való kommunikációhoz. Engedélyezze a PIN- kódot, amelyet gyakran EN-nek neveznek, és ez az LDO bemeneti tűje. Egy egyszerű mikrovezérlő megváltoztathatja az LDO EN tűjének állapotát a kimenet engedélyezéséhez vagy letiltásához. Ez egy hasznos funkció, amikor a terheléseket alkalmazás céljából be- vagy kikapcsolni kell.

A Power Good pin az LDO kimeneti tűje. Ezt a csapot egy mikrovezérlő egységgel is össze lehet kötni, hogy az energiafeltételektől függően alacsony vagy magas logika legyen. A jó tápfeszültség állapota alapján a mikrovezérlő egység információt szerezhet az LDO-n keresztüli teljesítőképesség állapotáról.

Az LDO korlátai

Bár az LDO megfelelő kimenetet kínál alacsony kiesési feszültség mellett, mégis vannak bizonyos korlátai. Az LDO legfőbb korlátja a hatékonyság. Igaz, hogy az LDO teljesítmény-disszipáció és hatékonyság szempontjából jobb, mint a szokásos lineáris szabályozók, de még mindig rossz választás a hordozható akkumulátorral kapcsolatos műveleteknél, ahol a hatékonyság a legfőbb gond. A hatékonyság még rosszabbá válik, ha a bemeneti feszültség lényegesen magasabb, mint a kimeneti feszültség. A hőelvezetés növekszik, ha a feszültségesés nagyobb. A hővé átalakuló és hűtőbordát igénylő hulladékenergia feleslege megnövelte a NYÁK-területet, és felmerült egy alkatrészköltség is. A jobb hatékonyság érdekében a kapcsolószabályozók továbbra is a legjobb választás a lineáris szabályozókkal, különösen az LDO-kkal szemben.

Használjam az LDO-t a következő tervemhez?

Mivel az LDO-k nagyon alacsony kiesési feszültséget kínálnak, jó csak akkor választani az LDO-t, ha a kívánt kimeneti feszültség nagyon közel van a rendelkezésre álló bemeneti feszültséghez. Az alábbi kérdések segítenek meghatározni, hogy az áramköri tervezéshez valóban szüksége van-e LDO-ra

1. A kívánt kimeneti feszültség közel van-e a rendelkezésre álló bemeneti feszültséghez? Ha igen, akkor mennyit? Akkor jó az LDO-t használni, ha a bemeneti feszültség és a kimeneti feszültség közötti különbség kisebb, mint 300 mV
2. A hatékonyság 50-60% -a elfogadott a kívánt alkalmazáshoz?
3. Alacsony zajszintű tápegységre van szükség?
4. Ha a költség problémát jelent, és egyszerű, alacsonyabb alkatrész számít, akkor helytakarékos megoldásra van szükség.
5. Túl drága és terjedelmes lesz kapcsolási áramkör hozzáadása?

Ha a fenti kérdésre „IGEN” választ adott, akkor az LDO jó választás lehet. De mi lesz az LDO specifikációja? Nos, ez az alábbi paraméterektől függ.

• Kimeneti feszültség.
• Minimális és maximális bemeneti feszültség.
• Kimeneti áram.
• Az LDO-k csomagja.
• A költség és a rendelkezésre állás.
• Engedélyezés és letiltás opció szükséges vagy sem.
• Az alkalmazáshoz szükséges további védelmi lehetőségek. Ilyenek például a Túláram elleni védelem, az UVLO és az OVLO stb.

Népszerű LDO-k a piacon

Minden egyes áramforrás-gyártó, mint a Texas Instruments, a Linear Technology stb., Rendelkezik az LDO-val kapcsolatos megoldásokkal is. A Texas Instruments az LDO-k széles skálájával rendelkezik, a különféle tervezési igényektől függően, az alábbi ábra az LDO hatalmas gyűjteményét mutatja, a kimeneti áram és a bemeneti feszültség széles tartományával.

Hasonlóképpen, az analóg eszközök lineáris technológiája szintén rendelkezik néhány nagy teljesítményű alacsony kiesésszabályozóval.

LDO - Példa tervezés

Vizsgáljuk meg egy olyan gyakorlati esetet, amelyben az LDO kötelező lesz. Tegyük fel, hogy alacsony költségű, egyszerű, helytakarékos megoldásra van szükség a 3,7 V-os lítium akkumulátor kimenetének stabil áramerősségű, rövid áramkorlátozással és hővédelemmel rendelkező 3,3 V 500 mA-es forráská történő átalakításához. Az áramellátási megoldást mikrovezérlővel kell összekapcsolni, hogy engedélyezhesse vagy letilthassa bizonyos terheléseket, és a hatékonyság 50-60% lehet. Mivel egyszerű és olcsó megoldásra van szükségünk, kizárhatjuk a kapcsolószabályozó kialakítását.

A lítium akkumulátor 4,2 V feszültséget tud biztosítani teljes töltési állapotban, 3,2 V feszültséget pedig teljesen üres állapotban. Ezért az LDO vezérelhető úgy, hogy kis feszültség esetén lekapcsolja a terhelést azáltal, hogy érzékeli az LDO bemeneti feszültségét a mikrokontroller egység által.

Összefoglalásként szükségünk van 3,3 V kimeneti feszültségre, 500 mA áramra, Tüske opció engedélyezése, alacsony alkatrészszám, kb. 300-400 mV kiesési követelmények, kimeneti rövidzárlat elleni védelem és hőkapcsoló funkció, ehhez az alkalmazáshoz az LDO-t választom: - 3,3 V-os fix feszültségszabályozó mikrochippel.

A teljes szolgáltatáslista az alábbi, az adatlapból vett képen látható -

Az alábbiakban bemutatjuk az MCP1825 kapcsolási rajzát a kitűzéssel együtt. A vázlatot az adatlap is tartalmazza, így néhány külső alkatrész, például ellenállás és kondenzátor egyszerű csatlakoztatásával könnyen felhasználhatjuk az LDO-t a szükséges feszültség szabályozására a minimális feszültségű dorp segítségével.

LDO - PCB tervezési irányelvek

Miután eldöntötte az LDO-t és kipróbálta, hogy az megfelel-e a tervének, folytathatja az áramkör NYÁK-jának tervezését. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a néhány tippet, amelyekre emlékeznie kell az LDO-alkatrészek nyomtatott áramköreinek megtervezésekor.

1. SMD csomag használata esetén elengedhetetlen a megfelelő rézterület biztosítása a NYÁK-kban, mivel az LDO-k eloszlatják a hőt.
2. A rézvastagság nagyban hozzájárul a problémamentes működéshez. 2 oz (70 um) rézvastagság jó választás lesz.
3. A C1-nek és a C2-nek a lehető legközelebb kell lennie az MCP1825-höz.
4. A vastag talajsík szükséges a zajjal kapcsolatos kérdésekhez.
5. Használja a Vias-t a megfelelő hőelvezetéshez a kétoldalas NYÁK-kban.