Forståelse lav

I dag har elektroniske enheter krympet i størrelse enn noen gang før. Dette gjør det mulig for oss å pakke i toner med funksjoner i kompakte bærbare enheter som smarte klokker, treningssporere og andre bærbare enheter. Det hjelper oss også å distribuere eksterne IoT-enheter for storfeovervåking, aktivitetssporing osv. En vanlig ting blant alle disse bærbare enhetene er at de er batteridrevne. Og når en enhet er batteridrevet, er det viktig for designingeniører å velge komponenter som sparer hver millivolt i designet for å kjøre enheten over lengre tid med tilgjengelig batterisaft. Når en slik komponent er Low-Dropout Voltage Regulator (LDO). I denne artikkelen vil vi lære mer om LDO og hvordan du velger riktig for kretsdesign.

Hva er en regulator innen elektronikk?

En regulator er en enhet eller en godt designet mekanisme som regulerer noe, her refererer noe vanligvis til strømspenning. Det er to typer regulatorer som hovedsakelig brukes i elektronikk, den første er å bytte regulator og den andre er den lineære regulatoren. De har begge en annen arbeidsarkitektur og et annet delsystem, men vi vil ikke diskutere dem i denne artikkelen. Men for å si det enkelt, hvis en regulator kontrollerer utgangsstrømmen, kalles den en strømregulator. Av samme aspekt brukes spenningsregulatorer til å kontrollere spenningen.

Forskjellen mellom LDO og lineære regulatorer

Lineære regulatorer er de vanligste enhetene som brukes til regulering av strømforsyningen, og de fleste av oss vil være kjent med enheter som 7805, LM317. Men ulempen med å bruke en lineær regulator i batteridrevne applikasjoner er at her alltid inngangsspenningen til en lineær regulator er nødvendig for å være høyere enn den regulerte utgangsspenningen. Betydning, forskjellene mellom inngangsspenningene og utgangsspenningen er høye. Derfor har standard lineære regulatorer noen begrensninger når det kreves at den regulerte utgangsspenningen er en nær verdi av inngangsspenningen.

Arbeid med en LDO

LDO er en del av lineært regulator-dynasti. Men i motsetning til normale lineære regulatorer er forskjellen mellom inngangsspenning og utgangsspenning mindre i en LDO. Denne forskjellen kalles frafallsspenning. Siden LDO har veldig lav frafallsspenning, kalles den som lav nedfallsspenningsregulatorer. Du kan tenke deg at en LDO er en lineær motstand som er serie i serie med belastningen for å redusere spenningen til ønsket nivå. Fordelen med å ha en LDO er at spenningsfallet over det vil være langt mindre enn en motstand.

Siden LDO tilbyr lav frafallsspenning mellom inngang og utgang, kan den fungere selv om inngangsspenningen er relativt nær utgangsspenningen. Spenningsfallet over en LDO vil være mellom 300mV og 1,5V maksimalt. I noen LDO er spenningsforskjellene enda mindre enn 300mV.

Ovenstående bilde viser en enkel LDO-konstruksjon der et lukket sløyfesystem er designet. En referansespenning opprettes fra inngangsspenningen og mates til en differensialforsterker. Utgangsspenningen blir registrert av en spenningsdeler og mates igjen til inngangspinnen til differensialforsterkeren. Avhengig av disse to verdiene, utgangen fra referansespenningen og utgangen fra spenningsdeleren, produserer forsterkeren utgang. Denne utgangen styrer den variable motstanden. Derfor kan enhver verdi av disse to endre forsterkerens utgang. Her er det nødvendig med spenningsreferansen for å være stabil for å fornemme den andre nøyaktig. Når referansespenningen er stabil, reflekteres en liten variasjon av utgangsspenningen på inngangen til differensialforsterkeren via motstandsdeleren.Forsterkeren styrer deretter den variable motstanden for å gi en stabil utgang. På den annen side er ikke spenningsreferansen avhengig av inngangsspenningen og gir stabil referanse over differensialforsterkeren, noe som gjør den immun mot forbigående endringer og gjør ogsåutgangsspenning uavhengig av inngangsspenning. Den variable motstanden vist her vil normalt bli erstattet av en effektiv MOSFET eller JFET i den faktiske konstruksjonen. Bipolare transistorer brukes ikke i LDO på grunn av de ekstra kravene til strøm og varmegenerering som fører til dårlig effektivitet.

Parametere du bør vurdere når du velger LDO

Grunnleggende funksjoner

Siden det er en viktig enhet for å sikre riktig strømforsyning til lasten, er den første nøkkelfunksjonen lastreguleringen og den stabile effekten. Riktig lastregulering er viktig under endringer i laststrømmen. Når lasten øker eller reduserer strømforbruket, bør ikke utgangsspenningen fra regulatoren svinge. Svingningen i utgangsspenningen måles i mV-området per ampere strøm og kalles som nøyaktigheter. Den utgangsspenning Nøyaktigheten av en LDO varierer fra 5mV til 50mV rekkevidde, noen få prosenter av utgangsspenningen.

Sikkerhets- og beskyttelsesfunksjoner

LDO tilbyr grunnleggende sikkerhetsfunksjoner ved å sikre riktig strømforsyning på tvers av utgangen. Sikkerhetsfunksjonene er tilpasset ved hjelp av beskyttelseskretser på tvers av inngang og utgang. Beskyttelseskretsene er Underspenningsbeskyttelse (UVLO), Over-Voltage Protection (OVLO), Overspenningsvern, utgang kortslutningsbeskyttelse og termisk beskyttelse.

I noen situasjoner kan inngangsspenningen som leveres til regulatoren synke betydelig lavt eller øke til høy verdi. Dette resulterer i feil spenning og strømutgang fra LDO som vil skade belastningen vår. Hvis inngangsspenningen over LDO er utenfor grensene, utløses UVLO- og OVLO-beskyttelsen for å beskytte LDO og belastningen. Den nedre grensen for UVLO og de maksimale inngangsspenningsgrensene kan settes ved hjelp av enkle spenningsdelere.

Overspenningsvernkrets gir LDO immunitet fra transienter og høyspenningsbølger eller pigger. Det er også en tilleggsfunksjon som tilbys av forskjellige LDO-er. Utgang kortslutningsbeskyttelse er en form for overstrømsbeskyttelse. Hvis belastningen blir kortsluttet, kobler kortslutningsbeskyttelsesfunksjonen til en LDO lasten fra inngangsstrømforsyningen. Termisk beskyttelse fungerer når LDO blir oppvarmet. Under oppvarmingsdrift stopper den termiske beskyttelseskretsen LDO fra å arbeide for å forhindre ytterligere skade på den.

Tilleggsfunksjoner

LDO-er kan ha to ekstra logiske nivåkontrollpinner for å kommunisere med en mikrokontrollerinngang. Aktiver pin ofte referert til som EN, og dette er en input pin av LDO. En enkel mikrokontroller kan endre tilstanden til EN-pinnen til en LDO for å aktivere eller deaktivere kraftuttaket. Dette er en praktisk funksjon når laster må slås på eller av for applikasjonsformål.

Power Good pin er en utgangsstift fra LDO. Denne pinnen kan også kobles til en mikrokontroller for å gi en logikk lav eller høy, avhengig av strømtilstanden. Basert på tilstanden til strømnålen, kan mikrokontrollerenhet få informasjon om strømstatusen over LDO.

Begrensninger av LDO

Selv om LDO gir riktig utgang ved lav frafallsspenning, har den fortsatt noen begrensninger. Den viktigste begrensningen av LDO er effektivitet. Det er sant at LDO er bedre enn de vanlige lineære regulatorene når det gjelder strømforsyning og effektivitet, men det er fortsatt et dårlig valg for bærbare batterirelaterte operasjoner der effektiviteten er det viktigste. Effektiviteten blir enda dårlig hvis inngangsspenningen er betydelig høyere enn utgangsspenningen. Varmespredningen øker når spenningsfallet er høyere. Overflødig avfallsenergi som transformeres som varme og krever en kjøleribbe, resulterte i økt PCB-område samt medførte en komponentkostnad. For bedre effektivitet er bytte regulatorer fortsatt det beste valget i forhold til lineære regulatorer, spesielt LDO.

Bør jeg bruke LDO til neste design?

Siden LDO-er tilbyr svært lav frafallsspenning, er det bra å velge en LDO bare når ønsket utgangsspenning er veldig nær den tilgjengelige inngangsspenningen. Spørsmålene nedenfor kan hjelpe deg med å avgjøre om kretsdesignet faktisk trenger en LDO

1. Er ønsket utgangsspenning nær tilgjengelig inngangsspenning? Hvis ja, hvor mye? Det er bra å bruke LDO hvis forskjellen mellom inngangsspenning og utgangsspenning er mindre enn 300mV
2. Er 50-60% av effektiviteten akseptert for ønsket applikasjon?
3. Strømforsyning med lite støy er et behov?
4. Hvis kostnaden er et problem og enkel, lavere deltelling, er det behov for den plassbesparende løsningen.
5. Vil det være for dyrt og klumpete å legge til en koblingskrets?

Hvis du har svart “JA” for alle spørsmålene ovenfor, kan LDO være et godt valg. Men hva blir spesifikasjonen til LDO? Vel, det avhenger av parametrene nedenfor.

• Utgangsspenning.
• Minimum og maksimal inngangsspenning.
• Utgangsstrøm.
• Pakke med LDO.
• Kostnaden og tilgjengeligheten.
• Aktiver og deaktiver alternativet er nødvendig eller ikke.
• Ytterligere beskyttelsesalternativer som kreves for applikasjonen. Slik som overstrømsbeskyttelse, UVLO og OVLO, etc.

Populære LDO-er i markedet

Hver enkelt IC-produsent som Texas Instruments, Lineær teknologi osv. Har også noen løsninger for LDO. Texas Instruments har et bredt spekter av LDO-er, avhengig av ulike designbehov. Diagrammet nedenfor viser sin enorme samling LDO med et bredt spekter av utgangsstrøm og inngangsspenning.

Tilsvarende har lineær teknologi fra analoge enheter også noen høyytelsesregulatorer med lavt frafall.

LDO - Eksempel på design

La oss vurdere en praktisk sak der LDO vil være obligatorisk. Anta at det er nødvendig med en billig, enkel, plassbesparende løsning for å konvertere 3,7V litiumbatteriutgang til en stabil 3,3V 500mA kilde med kort strømgrense og termisk beskyttelse. Kraftløsningen må kobles til en mikrokontroller for å aktivere eller deaktivere noe belastning, og effektiviteten kan være 50-60%. Siden vi trenger en enkel og billig løsning, kan vi utelukke designene for bytteregulatorer.

Et litiumbatteri kan gi 4,2 V under fulladetilstand og 3,2 V i helt tom tilstand. Derfor kan LDO styres for å koble fra belastningen ved lavspenningssituasjon ved å registrere inngangsspenningen til LDO av mikrokontrollerenheten.

For å oppsummere trenger vi 3,3 V utgangsspenning, 500 mA strøm, Aktiver pin-alternativ, lavt antall teller, rundt 300-400 mV frafallskrav, utgang kortslutningsbeskyttelse sammen med termisk nedleggingsfunksjon, for dette programmet er mitt personlige valg av LDO MCP1825 - 3,3 V fast spenningsregulator med mikrochip.

Den komplette funksjonslisten kan sees i bildet nedenfor, hentet fra databladet -

Nedenfor er kretsskjemaet til MCP1825 sammen med pin-out. Skjematisk er også gitt i databladet, og ved ganske enkelt å koble til noen eksterne komponenter som motstand og kondensator, kan vi enkelt bruke vår LDO til å regulere den nødvendige spenningen med minimum spenningsby.

Retningslinjer for LDO - PCB-design

Når du har avgjort LDO og testet den for å fungere for ditt design, kan du fortsette med å designe PCB for kretsen din. Følgende er noen få tips du bør huske når du designer et PCB for LDO-komponenter.

1. Hvis SMD-pakke brukes, er det viktig å gi et riktig kobberområde i PCB siden LDO-er forsvinner varme.
2. Kobbertykkelse er en viktig bidragsyter til problemfri drift. 2 oz (70um) kobbertykkelse vil være et godt valg.
3. C1 og C2 må være så nær MCP1825 som mulig.
4. Det tykke bakkeplanet kreves for støyrelaterte problemer.
5. Bruk Vias for riktig varmespredning i dobbeltsidige PCB.