Понимание низкого

Сегодня электронные устройства стали меньше в размерах, чем когда-либо прежде. Это позволяет нам упаковать множество функций в компактные портативные устройства, такие как умные часы, фитнес-трекеры и другие носимые устройства, а также помогает нам развертывать удаленные устройства IoT для мониторинга скота, отслеживания активов и т. Д. Одна общая черта среди всех этих портативных устройств в том, что они работают от батарей. А когда устройство работает от батареи, для инженеров-проектировщиков важно выбрать компоненты, которые экономят каждый милливольт в своей конструкции, чтобы устройство работало в течение более длительного времени с имеющимся аккумулятором. Когда-то таким компонентом является стабилизатор напряжения с малым падением напряжения (LDO). В этой статье мы узнаем больше о LDO и о том, как выбрать подходящий для вашей схемы.

Что такое регулятор в электронике?

Регулятор - это устройство или хорошо продуманный механизм, который что-то регулирует, здесь что-то обычно относится к напряжению тока. В электронике в основном используются два типа регуляторов: первый - импульсный, а второй - линейный. У них обоих разная рабочая архитектура и подсистема, но мы не будем их обсуждать в этой статье. Но, проще говоря, если выходной ток регулируется регулятором, то он называется регулятором тока. В том же аспекте регуляторы напряжения используются для управления напряжением.

Разница между LDO и линейными регуляторами

Линейные регуляторы являются наиболее распространенными устройствами, используемыми для регулирования источника питания, и большинство из нас знакомы с такими устройствами, как 7805, LM317. Но обратная сторона использования линейного регулятора в приложениях с батарейным питанием состоит в том, что здесь входное напряжение линейного регулятора всегда должно быть выше регулируемого выходного напряжения. Это означает, что разница между входным и выходным напряжениями велика. Поэтому стандартные линейные регуляторы имеют некоторые ограничения, когда требуется, чтобы регулируемое выходное напряжение было близким к входному напряжению.

Работа LDO

LDO - часть династии линейных регуляторов. Но, в отличие от обычных линейных регуляторов, в LDO разница между входным и выходным напряжением меньше. Эта разница называется падением напряжения. Поскольку LDO имеет очень низкое падение напряжения, его называют стабилизаторами напряжения с низким падением напряжения. Вы можете представить себе LDO как линейный резистор, подключенный последовательно с нагрузкой, чтобы снизить напряжение до необходимого уровня. Преимущество LDO в том, что падение напряжения на нем будет намного меньше, чем на резисторе.

Поскольку LDO обеспечивает низкое падение напряжения между входом и выходом, он может работать, даже если входное напряжение относительно близко к выходному напряжению. Падение напряжения на LDO составляет максимум от 300 мВ до 1,5 В. В некоторых LDO разность напряжений даже меньше 300 мВ.

На изображении выше показана простая конструкция LDO, в которой спроектирована система с обратной связью. Опорное напряжение создается из входного напряжения и подается на дифференциальный усилитель. Выходное напряжение измеряется делителем напряжения и снова подается на входной контакт дифференциального усилителя. В зависимости от этих двух значений, выходной сигнал от опорного напряжения и выхода из делителя напряжения, усилитель производит выходной сигнал. Этот выход управляет переменным резистором. Следовательно, любое значение этих двух может изменить выход усилителя. При этом опорное напряжение необходимо, чтобы быть устойчивым, чтобы точно чувствовать другие. Когда опорное напряжение является стабильным, небольшое изменение выходного напряжения отражается на входе дифференциального усилителя через резистор делителя.Затем усилитель управляет переменным резистором, чтобы обеспечить стабильный выходной сигнал. С другой стороны, опорное напряжение не зависят от входного напряжения и обеспечивает стабильную ссылку через дифференциальный усилитель, что делает его невосприимчивым к переходным изменениям, а также делаетвыходное напряжение не зависит от входного напряжения. Переменный резистор, показанный здесь, обычно заменяется эффективным MOSFET или JFET в реальной конструкции. Биполярные транзисторы не используются в LDO из-за дополнительных требований к генерации тока и тепла, что приводит к низкому КПД.

Параметры, которые следует учитывать при выборе LDO

Основные характеристики

Поскольку это важное устройство для обеспечения надлежащей подачи мощности на нагрузку, первой ключевой особенностью является регулировка нагрузки и стабильный выход. Правильное регулирование нагрузки важно при изменении тока нагрузки. Когда нагрузка увеличивается или уменьшается потребляемый ток, выходное напряжение регулятора не должно колебаться. Колебания выходного напряжения измеряются в диапазоне мВ на ампер тока и называются погрешностями. Точность выходного напряжения из LDO находится в диапазон от 5 мВ до 50 мВ диапазона, в несколько процентов от выходного напряжения.

Функции безопасности и защиты

LDO предлагает основные функции безопасности, обеспечивая надлежащую подачу мощности на выходе. Функции безопасности реализованы с помощью схемы защиты на входе и выходе. Цепи защиты: защита от пониженного напряжения (UVLO), защита от перенапряжения (OVLO), защита от перенапряжения, защита от короткого замыкания на выходе и тепловая защита.

В некоторых ситуациях входное напряжение, подаваемое на регулятор, может значительно упасть или повыситься до высокого значения. Это приводит к неправильному выходному напряжению и току LDO, что может повредить нашу нагрузку. Если входное напряжение на LDO выходит за установленные пределы, срабатывают защиты UVLO и OVLO для защиты LDO и нагрузки. Нижний предел для UVLO и максимальные пределы входного напряжения могут быть установлены с помощью простых делителей напряжения.

Схема защиты от перенапряжения обеспечивает невосприимчивость к LDO от переходных процессов и скачков или скачков высокого напряжения. Это также дополнительная функция, предлагаемая различными LDO. Защита от короткого замыкания на выходе - это форма защиты от перегрузки по току. Если нагрузка закорочена, функция защиты от короткого замыкания LDO отключает нагрузку от входного источника питания. Тепловая защита срабатывает при нагревании LDO. Во время нагрева схема тепловой защиты останавливает работу LDO, чтобы предотвратить его дальнейшее повреждение.

Дополнительные возможности

LDO могут иметь два дополнительных вывода управления логическим уровнем для связи с входом микроконтроллера. Контакт включения часто называют EN, и это входной контакт LDO. Простой микроконтроллер может изменить состояние вывода EN LDO, чтобы включить или отключить выходную мощность. Это удобная функция, когда необходимо включить или выключить нагрузки для приложений.

Вывод Power Good - это вывод LDO. Этот вывод также может быть подключен к микроконтроллеру для обеспечения низкого или высокого логического уровня в зависимости от состояния питания. Основываясь на состоянии вывода хорошего питания, микроконтроллер может получить информацию о состоянии питания через LDO.

Ограничения LDO

Хотя LDO обеспечивает правильный выход при низком падении напряжения, он все же имеет некоторые ограничения. Основное ограничение LDO - эффективность. Это правда, что LDO лучше стандартных линейных регуляторов с точки зрения рассеиваемой мощности и эффективности, но это все еще плохой выбор для операций, связанных с портативными батареями, где эффективность является основной проблемой. КПД становится еще хуже, если входное напряжение значительно выше выходного. Тепловыделение увеличивается с увеличением падения напряжения. Избыточная энергия отходов, которая преобразуется в тепло и требует радиатора, привела к увеличению площади печатной платы, а также к стоимости компонентов. Для большей эффективности импульсные регуляторы по-прежнему являются лучшим выбором по сравнению с линейными регуляторами, особенно с LDO.

Следует ли мне использовать LDO для моего следующего дизайна?

Поскольку LDO предлагают очень низкое падение напряжения, лучше выбирать LDO только тогда, когда желаемое выходное напряжение очень близко к доступному входному напряжению. Приведенные ниже вопросы могут помочь вам определить, действительно ли вам нужен LDO.

Соответствует ли желаемое выходное напряжение доступному входному напряжению? Если да, то сколько? Хорошо использовать LDO, если разница между входным напряжением и выходным напряжением менее 300 мВ.
Допускается ли 50-60% КПД для желаемого применения?
Требуется малошумный источник питания?
Если стоимость является проблемой и просто, меньшее количество деталей, необходимо решение для экономии места.
Будет ли слишком дорого и громоздко добавить схему переключения?

Если вы ответили «ДА» на все вышеперечисленные вопросы, то LDO может быть хорошим выбором. Но каковы будут спецификации LDO? Ну, это зависит от следующих параметров.

Выходное напряжение.
Минимальное и максимальное входное напряжение.
Выходной ток.
Пакет LDO.
Стоимость и доступность.
Параметр Enable and Disable требуется или нет.
Дополнительные параметры защиты, необходимые для приложения. Такие как защита от перегрузки по току, UVLO и OVLO и т. Д.

LDO - Пример дизайна

Давайте рассмотрим практический случай, когда LDO будет обязательным. Предположим, что требуется недорогое, простое и компактное решение для преобразования выхода литиевой батареи 3,7 В в стабильный источник 3,3 В 500 мА с ограничением тока короткого замыкания и тепловой защитой. Энергетическое решение должно быть связано с микроконтроллером для включения или отключения некоторой нагрузки, а эффективность может составлять 50-60%. Поскольку нам нужно простое и недорогое решение, мы можем исключить конструкции импульсных регуляторов.

Литиевая батарея может обеспечить 4,2 В при полной зарядке и 3,2 В при полностью разряженном состоянии. Следовательно, можно управлять LDO для отключения нагрузки в ситуации низкого напряжения, измеряя входное напряжение LDO блоком микроконтроллера.

Чтобы подытожить, нам нужно: выходное напряжение 3,3 В, ток 500 мА, опция включения контактов, низкое количество деталей, требования к отключению около 300-400 мВ, защита от короткого замыкания на выходе вместе с функцией теплового отключения, для этого приложения мой личный выбор LDO - MCP1825 - Постоянный стабилизатор напряжения 3.3V на микрочипе.

Полный список функций можно увидеть на изображении ниже, взятом из таблицы -

Ниже представлена принципиальная схема MCP1825 с распиновкой. Схема также представлена в техническом описании, поэтому, просто подключив несколько внешних компонентов, таких как резистор и конденсатор, мы можем легко использовать наш LDO для регулирования требуемого напряжения с минимальным dorp напряжения.

LDO - рекомендации по проектированию печатных плат

После того, как вы определили LDO и протестировали его на соответствие вашей конструкции, вы можете приступить к проектированию печатной платы для вашей схемы. Ниже приведены несколько советов, которые следует помнить при проектировании печатной платы для компонентов LDO.

Если используется SMD-корпус, важно обеспечить надлежащую площадь медной поверхности на печатных платах, поскольку LDO рассеивают тепло.
Толщина меди является основным фактором безотказной работы. Толщина меди 2 унции (70 мкм) будет хорошим выбором.
C1 и C2 должны быть как можно ближе к MCP1825.
Толстый слой заземления требуется для устранения проблем, связанных с шумом.
Используйте переходные отверстия для надлежащего отвода тепла на двусторонних печатных платах.