Разумевање ниско

Данас су се електронски уређаји смањили у величини него икад раније. То нам омогућава да спакујемо тонове функција у компактне преносиве уређаје као што су паметни сатови, фитнес трекери и други уређаји који се могу носити, такође нам помаже да применимо удаљене ИоТ уређаје за надгледање стоке, праћење имовине итд. Једна заједничка ствар међу свим овим преносним уређајима је да раде на батерије. А када уређај ради на батерије, важно је да инжењери дизајна одаберу компоненте које чувају сваки миливолт у свом дизајну како би уређај дуже користили са доступним соком од батерије. Једном када је таква компонента регулатор ниског напона (ЛДО). У овом чланку ћемо сазнати више о ЛДО и како одабрати прави за ваш дизајн кола.

Шта је регулатор у електроници?

Регулатор је уређај или добро дизајниран механизам који нешто регулише, овде се нешто обично односи на напон струје. Постоје две врсте регулатора који се углавном користе у електроници, први је преклопни регулатор, а други линеарни регулатор. Обоје имају различиту радну архитектуру и подсистем, али о њима нећемо расправљати у овом чланку. Али да поједноставимо, ако регулатор контролише излазну струју, онда се назива регулатор струје. У истом аспекту, регулатори напона се користе за контролу напона.

Разлика између ЛДО и линеарних регулатора

Линеарни регулатори су најчешћи уређаји који се користе за регулацију напајања и већина нас ће бити упозната са уређајима попут 7805, ЛМ317. Али, лоша страна употребе Линеарног регулатора у батеријским апликацијама је та што је овде улазни напон линеарног регулатора увек потребан да буде већи од регулисаног излазног напона. Значи, разлике између улазних и излазних напона су велике. Према томе, стандардни линеарни регулатори имају одређена ограничења када се захтева да регулисани излазни напон буде блиска вредност улазног напона.

Рад ЛДО-а

ЛДО је део династије линеарних регулатора. Али, за разлику од нормалних Линеарних регулатора, у ЛДО је разлика између улазног и излазног напона мања. Ова разлика се назива напоном испадања. Будући да ЛДО има врло низак напон испадања, назива се регулаторима ниског напона. Можете замислити ЛДО као линеарни отпорник у низу у низу са оптерећењем да смањи напон на потребан ниво. Предност постојања ЛДО-а је та што ће пад напона на њему бити далеко мањи од отпорника.

Будући да ЛДО нуди напон напуштања између улазног и излазног напона, може радити чак и ако је улазни напон релативно близу излазног напона. Пад напона на ЛДО биће између 300мВ до 1,5В максимално. У неким ЛДО разлике напона су чак мање од 300мВ.

Горња слика приказује једноставну ЛДО конструкцију где је дизајниран затворени систем. Референтни напон се ствара од улазног напона и доводи на диференцијално појачало. Излазни напон се препознаје поделитељем напона и поново доводи на улазни пин диференцијалног појачала. У зависности од ове две вредности, излаза из референтног напона и излаза из делитеља напона, појачало производи излаз. Овај излаз контролише променљиви отпорник. Дакле, било која вредност ове две могла би изменити излаз појачала. Овде је референца напона потребна да би била стабилна да би се тачно осетило друго. Када је референтни напон стабилан, мала варијација излазног напона рефлектује се на улазу диференцијалног појачала преко отпорничког разделника.Појачало затим контролише променљиви отпорник да би обезбедио стабилан излаз. С друге стране, референтни напон не зависи од улазног напона и пружа стабилну референцу на диференцијалном појачалу чинећи га имуним на пролазне промене, а такође чиниизлазни напон независан од улазног напона. Овде приказани променљиви отпор обично ће бити замењен ефикасним МОСФЕТ-ом или ЈФЕТ-ом у актуелној конструкцији. Биполарни транзистори се не користе у ЛДО због додатних захтева за производњу струје и топлоте што доводи до слабе ефикасности.

Параметри које треба узети у обзир приликом одабира ЛДО-а

Основне карактеристике

Како је то неопходан уређај који осигурава правилно испоручивање снаге оптерећењу, прва кључна карактеристика је регулација оптерећења и стабилан излаз. Правилна регулација оптерећења је неопходна током промена струје оптерећења. Када се оптерећење повећава или смањује његова тренутна потрошња, излазни напон регулатора не би требало да флуктуира. Колебање излазног напона мери се у мВ опсегу по амперу струје и назива се тачношћу. Тачност излазни напон од једног ЛДО креће од 5МВ до 50мВ домета, неколико процената излазног напона.

Карактеристике безбедности и заштите

ЛДО нуди основне безбедносне карактеристике осигуравајући правилну испоруку напајања преко излаза. Сигурносне карактеристике су прилагођене заштитним круговима преко улаза и излаза. Заштитни кругови су поднапонска заштита (УВЛО), пренапонска заштита (ОВЛО), пренапонска заштита, заштита од кратког споја на излазу и термичка заштита.

У неким ситуацијама улазни напон који се даје регулатору може пасти знатно низак или порасти на високу вредност. То резултира неправилним излазом напона и струје из ЛДО који ће оштетити наше оптерећење. Ако је улазни напон на ЛДО изнад граница, активира се заштита од УВЛО и ОВЛО ради заштите ЛДО и оптерећења. Доња граница за УВЛО и максимална ограничења улазног напона могу се поставити помоћу једноставних делилаца напона.

Кола за заштиту од пренапона нуде ЛДО имунитет од привремених и високонапонских удара или скокова. То је такође додатна функција коју нуде различити ЛДО. Заштита излазног кратког споја је облик заштите од прекомерне струје. Ако се оптерећење кратко споји, функција заштите од кратког споја ЛДО-а искључује оптерећење из улазног напајања. Термичка заштита делује када се ЛДО загреје. Током рада загревања, круг термичке заштите спречава ЛДО да ради како би спречио даља оштећења.

Додатне функције

ЛДО могу имати два додатна пин за управљање логичким нивоом за комуникацију са улазом микроконтролера. Омогућите пин који се често назива ЕН, а ово је улазни пин ЛДО-а. Једноставни микроконтролер може променити стање ЕН пина ЛДО-а како би омогућио или онемогућио излазну снагу. Ово је корисна функција када оптерећења треба укључити или искључити у сврхе примене.

Пин за напајање је излазни пин из ЛДО-а. Овај пин такође може бити повезан са јединицом микроконтролера како би се обезбедила логика ниска или велика у зависности од стања напајања. На основу стања напајања, микроконтролер може добити информације о статусу напајања преко ЛДО-а.

Ограничења ЛДО

Иако ЛДО нуди исправан излаз при ниском напону испадања, ипак има одређена ограничења. Главно ограничење ЛДО-а је ефикасност. Тачно је да је ЛДО бољи од стандардних линеарних регулатора у смислу расипања снаге и ефикасности, али је и даље лош избор за преносиве операције повезане са батеријама где је ефикасност главна брига. Ефикасност постаје чак и лоша ако је улазни напон знатно већи од излазног напона. Одвођење топлоте се повећава када је пад напона већи. Прекомерна отпадна енергија која се трансформише у топлоту и захтева хладњак, резултирала је повећаном површином ПЦБ-а, као и трошковима компонената. За бољу ефикасност, преклопни регулатори су и даље најбољи избор у односу на линеарне регулаторе, посебно ЛДО.

Да ли треба да користим ЛДО за свој следећи дизајн?

Како ЛДО нуде врло низак напон испадања, добро је одабрати ЛДО само када је жељени излазни напон врло близу расположивог улазног напона. Доња питања могу вам помоћи да утврдите да ли вам дизајн кола заправо треба ЛДО

Да ли је жељени излазни напон близу расположивог улазног напона? Ако да, колико онда? Добро је користити ЛДО ако је разлика између улазног и излазног напона мања од 300мВ
Да ли је прихваћено 50-60% ефикасности за жељену апликацију?
Потребно је напајање ниским нивоом буке?
Ако је трошак проблем и једноставан је, рачунајте доњи део, потребно је решење за уштеду простора.
Да ли ће бити прескупо и гломазно додати прекидачки круг?

Ако сте на све горње питање одговорили са „ДА“, тада би ЛДО могао бити добар избор. Али, која ће бити спецификација ЛДО-а? Па, то зависи од доњих параметара.

Излазни напон.
Минимални и максимални улазни напон.
Излазна струја.
Пакет ЛДО-а.
Трошкови и доступност.
Потребна је опција Омогући и Онемогући или не.
Додатне опције заштите потребне су за апликацију. Као што су заштита од прекомерне струје, УВЛО и ОВЛО итд.

Популарни ЛДО на тржишту

Сваки појединачни произвођач ИЦ, попут Текас Инструментс, Линеар Тецхнологи итд., Такође има нека решења за ЛДО. Текас Инструментс има широк спектар ЛДО-а у зависности од различитих дизајнерских потреба, доњи графикон приказује његову огромну колекцију ЛДО-а са широким опсегом излазне струје и улазног напона.

Слично томе, Линеарна технологија, од аналогних уређаја, такође има неке регулаторе са малим испуштањем високих перформанси.

ЛДО - Пример дизајна

Размотримо практични случај у којем ће ЛДО бити обавезан. Претпоставимо да је потребно јефтино, једноставно решење за уштеду простора за претварање излаза литијумске батерије од 3,7 В у стабилан извор од 3,3 В од 500 мА са кратким ограничењем струје и топлотном заштитом. Решење за напајање треба да буде повезано са микроконтролером да би се омогућило или онемогућило неко оптерећење, а ефикасност може бити 50-60%. Будући да нам је потребно једноставно и јефтино решење, можемо искључити дизајн склопног регулатора.

Литијумска батерија може пружити 4,2 В током пуног стања напуњености и 3,2 В у потпуно празном стању. Према томе, ЛДО се може контролисати да одвоји оптерећење при нисконапонској ситуацији осетом улазног напона ЛДО од стране јединице микроконтролера.

За сумеризацију су нам потребни 3.3В излазни напон, 500мА струје, опција за укључивање пинова, мали број делова, око 300-400 мВ потреба за испадањем, излазна заштита од кратког споја заједно са функцијом термичког искључивања, за ову апликацију мој лични избор ЛДО је МЦП1825 - 3.3В фиксни регулатор напона микрочипом.

Комплетна листа карактеристика може се видети на доњој слици, преузетој из листа са подацима -

Испод је дијаграм кола МЦП1825 заједно са пин- оутом. Шема је такође дата у техничком листу, тако да једноставним повезивањем неколико спољних компонената попут отпорника и кондензатора лако можемо користити наш ЛДО за регулацију потребног напона са минималним напоном дорпа.

ЛДО - ПЦБ смернице за дизајн

Након што сте одлучили ЛДО и тестирали га како би одговарао вашем дизајну, можете наставити са дизајнирањем ПЦБ-а за свој круг. Следи неколико савета које бисте требали запамтити приликом дизајнирања ПЦБ-а за ЛДО компоненте.

Ако се користи СМД пакет, неопходно је да се обезбеди одговарајући простор бакра у ПЦБ од ЛДОс нестати загрева.
Дебљина бакра је главни фактор у раду без проблема. Дебљина бакра од 2 Оз (70 ум) биће добар избор.
Ц1 и Ц2 морају бити што ближе МЦП1825.
Дебела раван подлога је потребна за проблеме повезане са буком.
Користите Виас за правилно одвођење топлоте у двостраним ПЦБ-има.