Suprasti žemą

Šiandien elektroninių prietaisų dydis sumažėjo nei bet kada anksčiau. Tai leidžia mums susikomplektuoti kompaktiškų nešiojamųjų įrenginių, tokių kaip išmanieji laikrodžiai, kūno rengybos stebėjimo priemonės ir kiti nešiojami įrenginiai, funkcijų tonus, tai taip pat padeda mums įdiegti nuotolinius IoT įrenginius galvijams stebėti, turto sekimui ir kt. Vienas bendras dalykas tarp visų šių nešiojamųjų įrenginių yra tai, kad jie veikia baterijomis. Kai prietaisas veikia su akumuliatoriumi, projektavimo inžinieriams svarbu pasirinkti komponentus, kurie taupo kiekvieną milijoną voltų jų konstrukcijoje, kad prietaisą veiktų ilgesnį laiką su turimomis akumuliatoriaus sultimis. Kai toks komponentas yra mažo kritimo įtampos reguliatorius (LDO). Šiame straipsnyje mes sužinosime daugiau apie LDO ir kaip pasirinkti tinkamą jūsų grandinės dizainui.

Kas yra elektronikos reguliatorius?

Reguliatorius yra įtaisas arba gerai suprojektuotas mechanizmas, kuris kažką reguliuoja, čia kažkas paprastai reiškia srovės įtampą. Yra dviejų tipų reguliatoriai, daugiausia naudojami elektronikoje, pirmasis yra perjungimo reguliatorius, o antrasis - linijinis. Jie abu turi skirtingą darbo architektūrą ir posistemį, tačiau šiame straipsnyje mes jų neaptarsime. Bet paprastai tariant, jei reguliatorius valdo išėjimo srovę, jis vadinamas srovės reguliatoriumi. Tuo pačiu aspektu įtampos reguliatoriai naudojami valdyti įtampą.

Skirtumas tarp LDO ir tiesinių reguliatorių

Linijiniai reguliatoriai yra labiausiai paplitę prietaisai, naudojami maitinimo šaltinio reguliavimui, ir dauguma iš mūsų bus susipažinę su tokiais prietaisais kaip 7805, LM317. Tačiau, naudojant linijinį reguliatorių baterijomis valdomose programose, trūkumas yra tas, kad čia linijinio reguliatoriaus įėjimo įtampa visada turi būti didesnė nei reguliuojama išėjimo įtampa. Reiškia, įėjimo įtampos ir išėjimo įtampos skirtumai yra dideli. Todėl standartiniai linijiniai reguliatoriai turi tam tikrų apribojimų, kai reikalaujama, kad reguliuojama išėjimo įtampa būtų artima įėjimo įtampos vertei.

LDO darbas

LDO yra tiesinės reguliatorių dinastijos dalis. Tačiau, skirtingai nuo įprastų tiesinių reguliatorių, LDO skirtumas tarp įėjimo įtampos ir išėjimo įtampos yra mažesnis. Šis skirtumas vadinamas iškritimo įtampa. Kadangi LDO turi labai mažą iškraipymo įtampą, jis vadinamas mažos kritimo įtampos reguliatoriumi. Galite galvoti apie LDO linijinį rezistorių, paleidžiamą nuosekliai su apkrova, kad įtampa sumažėtų iki reikiamo lygio. LDO privalumas yra tas, kad įtampos kritimas per jį bus daug mažesnis nei rezistorius.

Kadangi LDO siūlo mažą įtampą tarp įėjimo ir išėjimo, ji gali veikti, net jei įėjimo įtampa yra santykinai artima išėjimo įtampai. Įtampos kritimas LDO bus nuo 300 mV iki 1,5 V maksimalus. Kai kuriose LDO įtampos skirtumai yra net mažesni nei 300 mV.

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyta paprasta LDO konstrukcija, kur suprojektuota uždaros sistemos sistema. Iš įėjimo įtampos sukuriama etaloninė įtampa ir paduodama į diferencialinį stiprintuvą. Išėjimo įtampa nustatoma įtampos dalikliu ir vėl paduodama į diferencialinio stiprintuvo įvesties kaištį. Priklausomai nuo šių dviejų verčių, išėjimo iš etaloninės įtampos ir išėjimo iš įtampos daliklio, stiprintuvas sukuria išėjimą. Šis išėjimas valdo kintamą rezistorių. Taigi, kas nors iš šių dviejų reikšmių gali pakeisti stiprintuvo išvestį. Čia įtampos atskaitos reikia, kad ji būtų stabili, kad tiksliai pajustų kitą. Kai etaloninė įtampa yra stabili, nedidelis išėjimo įtampos pokytis atsispindi diferencialo stiprintuvo įėjime per rezistoriaus daliklį.Tada stiprintuvas valdo kintamą rezistorių, kad būtų užtikrinta stabili išvestis. Kita vertus, įtampos atskaitos taškas nepriklauso nuo įėjimo įtampos ir suteikia stabilų diferencialo stiprintuvo atskaitos tašką, todėl jis yra atsparus pereinamiesiems pokyčiams, taip pat daroišėjimo įtampa nepriklauso nuo įėjimo įtampos. Čia parodytas kintamasis rezistorius aktualioje konstrukcijoje paprastai bus pakeistas efektyviu MOSFET arba JFET. Bipoliniai tranzistoriai LDO nenaudojami dėl papildomų srovės ir šilumos gamybos reikalavimų, o tai lemia prastą efektyvumą.

Parametrai, į kuriuos reikia atsižvelgti renkantis LDO

Pagrindinės funkcijos

Kadangi tai yra būtinas prietaisas, užtikrinantis tinkamą energijos tiekimą į apkrovą, pirmoji pagrindinė savybė yra apkrovos reguliavimas ir stabilus išėjimas. Tinkamas apkrovos reguliavimas yra būtinas keičiant apkrovos srovę. Kai apkrova padidėja ar sumažėja jos srovės suvartojimas, reguliatoriaus išėjimo įtampa neturėtų svyruoti. Išėjimo įtampos svyravimas matuojamas mV diapazonu srovės ampere ir vadinamas tikslumu. Išėjimo įtampa tikslumas, kurio LDO svyruoja nuo 5mV į 50mV diapazone, keli procentai nuo išėjimo įtampa.

Saugos ir apsaugos ypatybės

LDO siūlo pagrindines saugos funkcijas, užtikrindama tinkamą energijos tiekimą visoje išvestyje. Saugos savybės pritaikytos naudojant įėjimo ir išvesties apsaugos grandines. Apsaugos grandinės yra apsauga nuo žemos įtampos (UVLO), apsauga nuo viršįtampio (OVLO), apsauga nuo viršįtampių, apsauga nuo trumpojo jungimo ir terminė apsauga.

Kai kuriais atvejais reguliatoriui tiekiama įėjimo įtampa gali smarkiai sumažėti arba padidėti iki didelės vertės. Tai lemia netinkamą LDO įtampą ir srovę, o tai pakenks mūsų apkrovai. Jei įėjimo įtampa per LDO viršija ribas, suveikiama UVLO ir OVLO apsauga, siekiant apsaugoti LDO ir apkrovą. Apatinę UVLO ribą ir maksimalią įėjimo įtampos ribą galima nustatyti naudojant paprastus įtampos daliklius.

Apsaugos nuo viršįtampių grandinė suteikia LDO imunitetą nuo pereinamųjų procesų ir aukštos įtampos šuolių ar šuolių. Tai taip pat yra papildoma funkcija, kurią siūlo skirtingos LDO. Išėjimo trumpojo jungimo apsauga yra apsaugos nuo viršsrovės forma. Jei apkrova trumpa, LDO apsaugos nuo trumpojo jungimo funkcija atjungia apkrovą nuo įvesties maitinimo šaltinio. Terminė apsauga veikia, kai LDO įkaista. Šildymo metu šilumos apsaugos grandinė sustabdo LDO darbą, kad būtų išvengta tolesnių jo pažeidimų.

Papildomos funkcijos

LDO gali turėti du papildomus loginio lygio valdymo kaiščius, kad galėtų bendrauti su mikrovaldiklio įvestimi. Įgalinti kaištį, dažnai vadinamą EN, ir tai yra LDO įvesties kaištis. Paprastas mikrovaldiklis gali pakeisti LDO EN kaiščio būseną, kad įjungtų arba išjungtų maitinimo išvestį. Tai yra patogi funkcija, kai aplikacijas reikia įjungti arba išjungti.

„Power Good“ kaištis yra LDO išvesties kaištis. Šis kaištis taip pat gali būti sujungtas su mikrovaldiklio bloku, kad logika būtų maža arba aukšta, atsižvelgiant į galios būklę. Remiantis galios gero kaiščio būsena, mikrovaldiklio blokas gali gauti informaciją apie galios būseną per LDO.

LDO apribojimai

Nors LDO siūlo tinkamą išėjimą esant mažai kritimo įtampai, vis dėlto jis turi tam tikrų apribojimų. Pagrindinis LDO apribojimas yra efektyvumas. Tiesa, kad energijos išsklaidymas ir efektyvumas yra mažesnis už standartinius linijinius reguliatorius, tačiau tai vis tiek yra netinkamas pasirinkimas su nešiojama baterija susijusioms operacijoms, kuriose efektyvumas yra pagrindinis rūpestis. Efektyvumas tampa dar blogesnis, jei įėjimo įtampa yra žymiai didesnė nei išėjimo įtampa. Šilumos išsiskyrimas didėja, kai įtampos kritimas yra didesnis. Dėl energijos pertekliaus, kuris virsta šiluma ir kuriam reikalingas radiatorius, padidėjo PCB plotas ir patiriamos komponentų sąnaudos. Siekiant didesnio efektyvumo, reguliatorių perjungimas vis dar yra geriausias pasirinkimas, palyginti su linijiniais reguliatoriais, ypač LDO.

Ar turėčiau naudoti LDO kitam dizainui?

Kadangi LDO siūlo labai mažą kritimo įtampą, gerai pasirinkti LDO tik tada, kai norima išėjimo įtampa yra labai artima turimai įėjimo įtampai. Žemiau pateikiami klausimai gali padėti nustatyti, ar jūsų grandinės projektavimui iš tikrųjų reikia LDO

Ar norima išėjimo įtampa yra artima turimai įėjimo įtampai? Jei taip, tada kiek? Gerai naudoti LDO, jei skirtumas tarp įėjimo įtampos ir išėjimo įtampos yra mažesnis nei 300 mV
Ar pageidaujamai programai priimama 50–60% efektyvumo?
Mažas triukšmo šaltinis yra poreikis?
Jei kaina yra problema ir paprasta, mažesnė dalis, reikia vietos taupymo sprendimo.
Ar bus per brangu ir didoka pridėti jungimo grandinę?

Jei atsakėte į „TAIP“ dėl visų aukščiau nurodytų klausimų, LDO gali būti geras pasirinkimas. Bet kokia bus LDO specifikacija? Na, tai priklauso nuo žemiau pateiktų parametrų.

Išėjimo įtampa.
Minimali ir maksimali įėjimo įtampa.
Išėjimo srovė.
LDO paketas.
Kaina ir prieinamumas.
Reikalinga parinktis Įgalinti ir Išjungti neleidžiama.
Programai reikalingos papildomos apsaugos galimybės. Tokie kaip apsauga nuo srovės, UVLO ir OVLO ir kt.

Populiarūs LDO rinkoje

Kiekvienas maitinimo grandinės gamintojas, pvz., „Texas Instruments“, „Linear Technology“ ir kt., Taip pat turi keletą sprendimų dėl LDO. „Texas Instruments“ turi platų LDO spektrą, atsižvelgiant į įvairius projektavimo poreikius. Žemiau pateiktoje diagramoje parodyta didžiulė LDO kolekcija, turinti platų išėjimo srovės ir įėjimo įtampos diapazoną.

Panašiai Linear Technology, iš Analog Devices taip pat turi keletą aukštos kokybės Žemas nebaigusių reguliuotojų.

LDO - pavyzdinis dizainas

Apsvarstysime praktinį atvejį, kai LDO bus privaloma. Tarkime, kad norint konvertuoti 3,7 V ličio baterijos galią į stabilų 3,3 V 500 mA šaltinį su trumpu srovės apribojimu ir šilumine apsauga, reikalingas nebrangus, paprastas, vietą taupantis sprendimas. Maitinimo sprendimą reikia sujungti su mikrovaldikliu, kad įjungtumėte arba išjungtumėte tam tikrą apkrovą, o efektyvumas gali būti 50-60%. Kadangi mums reikia paprasto ir nebrangaus sprendimo, galime atmesti perjungimo reguliatoriaus dizainą.

Ličio baterija gali būti įkrovusi 4,2 V, o visiškai tuščią - 3,2 V. Todėl LDO galima valdyti atjungti apkrovą esant žemai įtampai, mikrokontrolerio bloku pajutus LDO įėjimo įtampą.

Apibendrinant mums reikia 3,3 V išėjimo įtampos, 500 mA srovės, įjungti kaiščių parinktį, mažų dalių skaičiaus, maždaug 300–400 mV nutraukimo reikalavimus, išėjimo trumpojo jungimo apsaugą kartu su terminio išjungimo funkcija, šiai programai mano asmeninis LDO pasirinkimas yra MCP1825 - 3,3 V fiksuoto įtampos reguliatorius mikroschema.

Visą funkcijų sąrašą galite pamatyti žemiau esančiame paveikslėlyje, paimtame iš duomenų lapo -

Žemiau yra MCP1825 grandinės schema kartu su kaiščiu. Schema taip pat pateikiama duomenų lape, taigi, paprasčiausiai sujungę keletą išorinių komponentų, tokių kaip rezistorius ir kondensatorius, mes galime lengvai naudoti savo LDO, norėdami reguliuoti reikiamą įtampą su minimalia įtampa dorp.

LDO - PCB projektavimo gairės

Nusprendę LDO ir išbandę, ar jis tinka jūsų dizainui, galite tęsti savo grandinės PCB projektavimą. Toliau pateikiami keli patarimai, kuriuos turėtumėte atsiminti kurdami LDO komponentų PCB.

Jei naudojamas SMD paketas, būtina numatyti tinkamą vario plotą PCB, nes LDO išsklaido šilumą.
Vario storis yra pagrindinis veiksnys be rūpesčių. 2 oz (70um) vario storis bus geras pasirinkimas.
C1 ir C2 turi būti kuo arčiau MCP1825.
Stori žemės plokštuma reikalinga su triukšmu susijusiems klausimams spręsti.
Tinkamam šilumos išsklaidymui dvipusiuose PCB naudokite „Vias“.