Forståelse lav

I dag er elektroniske enheder faldet i størrelse end nogensinde før. Dette gør det muligt for os at pakke i toner af funktioner i kompakte bærbare enheder som smarte ure, fitness-trackere og andre bærbare enheder, det hjælper os også med at implementere eksterne IoT-enheder til kvægovervågning, aktivsporing osv. En almindelig ting blandt alle disse bærbare enheder er, at de er batteridrevne. Og når en enhed er batteridrevet, er det vigtigt for designteknikere at vælge komponenter, der sparer hver milli-volt i deres design for at køre enheden i længere tid med den tilgængelige batterisaft. Når en sådan komponent er Low-Dropout Voltage Regulator (LDO). I denne artikel lærer vi mere om LDO, og hvordan man vælger den rigtige til dit kredsløbsdesign.

Hvad er en regulator inden for elektronik?

En regulator er en enhed eller en veldesignet mekanisme, der regulerer noget, her refererer noget normalt til strømspænding. Der er to typer regulatorer, der hovedsagelig anvendes i elektronik, den første er at skifte regulator og den anden er den lineære regulator. De har begge forskellige arbejdsarkitekturer og undersystemer, men vi diskuterer ikke dem i denne artikel. Men for at sige det enkelt, hvis en regulator styrer udgangsstrømmen, kaldes den en strømregulator. Af samme aspekt bruges spændingsregulatorer til at kontrollere spændingen.

Forskel mellem LDO og lineære regulatorer

Lineære regulatorer er de mest almindelige enheder, der bruges til regulering af strømforsyningen, og de fleste af os vil være fortrolige med enheder som 7805, LM317. Men ulempen ved at bruge en lineær regulator i batteridrevne applikationer er, at her er der altid behov for en lineær regulators indgangsspænding for at være højere end den regulerede udgangsspænding. Betydning, forskellene mellem indgangsspændingerne og udgangsspændingerne er høje. Derfor har standard lineære regulatorer nogle begrænsninger, når det kræves, at den regulerede udgangsspænding er en tæt værdi af indgangsspændingen.

Arbejde med en LDO

LDO er en del af lineært regulator dynasti. Men i modsætning til normale lineære regulatorer er forskellen mellem indgangsspænding og udgangsspænding i en LDO mindre. Denne forskel kaldes frafaldsspænding. Da LDO har meget lav frafaldsspænding kaldes den som lav udfaldsspændingsregulatorer. Du kan tænke på en LDO og en lineær modstand palet i serie med belastningen for at reducere spændingen til det krævede niveau. Fordelen ved at have en LDO er, at spændingsfaldet over det vil være langt mindre end en modstand.

Da LDO tilbyder lav frafaldsspænding mellem indgang og udgang, kan den fungere, selvom indgangsspændingen er relativt tæt på udgangsspændingen. Spændingsfaldet over en LDO vil være mellem 300mV og 1,5V maksimalt. I nogle LDO'er er spændingsforskellene endnu mindre end 300 mV.

Ovenstående billede viser en simpel LDO-konstruktion, hvor et lukket kredsløbssystem er designet. En referencespænding oprettes fra indgangsspændingen og føres til en differentiel forstærker. Udgangsspændingen registreres af en spændingsdeler og føres igen til indgangsstiften på differentialforstærkeren. Afhængig af disse to værdier, output fra referencespændingen og output fra spændingsdeleren, producerer forstærkeren output. Denne udgang styrer den variable modstand. Derfor kan enhver værdi af disse to ændre forstærkerens output. Her er spændingsreferencen nødvendig for at være stabil for nøjagtigt at fornemme den anden. Når referencespændingen er stabil, reflekteres en lille variation af udgangsspændingen på indgangen på differentialforstærkeren via modstandsdeleren.Forstærkeren styrer derefter den variable modstand for at give et stabilt output. På den anden side er spændingsreferencen ikke afhængig af indgangsspændingen og giver en stabil reference på tværs af differentialforstærkeren, hvilket gør den immun over for de forbigående ændringer og gør ogsåudgangsspænding uafhængig af indgangsspændingen. Den variable modstand, der er vist her, erstattes normalt af en effektiv MOSFET eller JFET i den faktiske konstruktion. Bipolære transistorer anvendes ikke i LDO'er på grund af de ekstra krav til strøm og varmeproduktion, hvilket fører til dårlig effektivitet.

Parametre, der skal overvejes, når du vælger din LDO

Grundlæggende funktioner

Da det er en vigtig enhed for at sikre korrekt strømforsyning til lasten, er den første nøglefunktion belastningsregulering og det stabile output. Korrekt regulering af belastningen er vigtig under ændringer af belastningsstrømmen. Når belastningen øges eller formindskes strømforbrug, bør udgangsspændingen fra regulatoren ikke svinge. Svingningen af udgangsspændingen måles i mV-området pr. Ampere strøm og kaldes som nøjagtighed. Den udgangsspænding nøjagtighed af en LDO spænder fra 5 mV til 50 mV interval, et par procenter af udgangsspændingen.

Sikkerheds- og beskyttelsesfunktioner

LDO tilbyder grundlæggende sikkerhedsfunktioner ved at sikre korrekt strømforsyning på tværs af output. Sikkerhedsfunktionerne er tilpasset ved hjælp af beskyttelseskredsløb på tværs af input og output. Beskyttelseskredsløbene er Underspændingsbeskyttelse (UVLO), Over-spændingsbeskyttelse (OVLO), Overspændingsbeskyttelse, udgang kortslutningsbeskyttelse og termisk beskyttelse.

I nogle situationer kan indgangsspændingen til regulatoren falde betydeligt lavt eller stige til høj værdi. Dette resulterer i forkert spænding og strømoutput fra LDO, som vil skade vores belastning. Hvis indgangsspændingen over LDO er over grænserne, udløses UVLO- og OVLO-beskyttelsen for at beskytte LDO og belastningen. Den nedre grænse for UVLO og de maksimale indgangsspændingsgrænser kan indstilles ved hjælp af enkle spændingsdelere.

Overspændingsbeskyttelseskredsløb giver LDO immuniteter mod transienter og højspændingsstød eller spidser. Det er også en ekstra funktion, der tilbydes af forskellige LDO'er. Output kortslutningsbeskyttelse er en form for overstrømsbeskyttelse. Hvis belastningen bliver kortsluttet, afbryder kortslutningsbeskyttelsesfunktionen i en LDO belastningen fra indgangsforsyningen. Termisk beskyttelse fungerer, når LDO bliver opvarmet. Under opvarmning stopper det termiske beskyttelseskredsløb LDO fra at arbejde for at forhindre yderligere beskadigelse af det.

Yderligere funktioner

LDO'er kan have to ekstra kontrolpinde til logikniveau til at kommunikere med en mikrocontrollerindgang. Aktiver pin ofte kaldet EN, og dette er en input pin til LDO. En simpel mikrokontroller kan ændre tilstanden for EN-pin for en LDO for at aktivere eller deaktivere effektudgangen. Dette er en praktisk funktion, når belastninger skal slås til eller fra til applikationsformål.

Power Good pin er en output pin fra LDO. Denne pin kan også tilsluttes med en mikrocontroller-enhed for at give en logik lav eller høj afhængigt af strømtilstanden. Baseret på tilstanden af god pin, kan mikrocontroller enhed få oplysninger om strømstatus på tværs af LDO.

Begrænsninger af LDO

Selvom LDO tilbyder korrekt output ved lav frafaldsspænding, har den stadig nogle begrænsninger. Den største begrænsning af LDO er effektivitet. Det er rigtigt, at LDO er bedre end standard lineære regulatorer med hensyn til strømforsyning og effektivitet, men det er stadig et dårligt valg til bærbare batterirelaterede operationer, hvor effektiviteten er det største problem. Effektiviteten bliver endnu dårlig, hvis indgangsspændingen er betydeligt højere end udgangsspændingen. Varmeafledningen stiger, når spændingsfaldet er højere. Den overskydende spildenergi, der omdannes som varme og kræver en kølelegeme, resulterede i øget PCB-område samt medførte en komponentomkostning. For bedre effektivitet er skifte regulatorer stadig det bedste valg i forhold til lineære regulatorer, især LDO'er.

Skal jeg bruge LDO til mit næste design?

Da LDO'er tilbyder meget lav frafaldsspænding, er det godt kun at vælge en LDO, når den ønskede udgangsspænding er meget tæt på den tilgængelige indgangsspænding. Nedenstående spørgsmål kan hjælpe dig med at afgøre, om dit kredsløbsdesign faktisk har brug for en LDO

Er den ønskede udgangsspænding tæt på den tilgængelige indgangsspænding? Hvis ja, hvor meget? Det er godt at bruge LDO, hvis forskellen mellem indgangsspænding og udgangsspænding er mindre end 300 mV
Er 50-60% af effektiviteten accepteret til den ønskede anvendelse?
Strømforsyning med lav støj er et behov?
Hvis omkostningerne er et problem og en simpel, lavere delantal, er den pladsbesparende løsning nødvendig.
Vil det være for dyrt og omfangsrigt at tilføje et koblingskredsløb?

Hvis du har svaret “JA” for alle ovenstående spørgsmål, kan LDO være et godt valg. Men hvad bliver specifikationen for LDO? Det afhænger af nedenstående parametre.

Udgangsspænding.
Minimum og maksimal indgangsspænding.
Udgangsstrøm.
Pakke med LDO'er.
Omkostningerne og tilgængeligheden.
Aktivering og deaktivering er påkrævet eller ej.
Yderligere beskyttelsesmuligheder, der kræves til applikationen. Såsom overstrømsbeskyttelse, UVLO og OVLO osv.

Populære LDO'er på markedet

Hver enkelt strøm-IC-producent som Texas Instruments, Lineær teknologi osv. Har også nogle løsninger til LDO. Texas Instruments har et bredt udvalg af LDO'er afhængigt af forskellige designbehov, nedenstående diagram viser sin enorme samling af LDO med en bred vifte af udgangsstrøm og indgangsspænding.

Ligeledes har lineær teknologi fra analoge enheder også nogle højtydende regulatorer med lav dropout.

LDO - Eksempel på design

Lad os overveje en praktisk sag, hvor LDO vil være obligatorisk. Antag, at der er brug for en billig, enkel og pladsbesparende løsning til konvertering af 3,7 V lithiumbatterioutput til en stabil 3,3 V 500 mA kilde med kort strømgrænse og termisk beskyttelse. Strømløsningen skal forbindes med en mikrocontroller for at aktivere eller deaktivere en vis belastning, og effektiviteten kan være 50-60%. Da vi har brug for en enkel og billig løsning, kan vi udelukke skifte regulator design.

Et lithiumbatteri kan levere 4,2 V under fuld opladning og 3,2 V i helt tom tilstand. Derfor kan LDO styres til at afbryde belastningen ved lavspændingssituation ved at registrere LDO's indgangsspænding af mikrokontroller-enheden.

For at opsummere har vi brug for, 3,3 V udgangsspænding, 500 mA strøm, Aktivér pin-indstilling, lave delantal, omkring 300-400 mV frafaldskrav, output kortslutningsbeskyttelse sammen med termisk nedlukningsfunktion, til dette program er mit personlige valg af LDO MCP1825 - 3,3 V fast spændingsregulator med mikrochip.

Den fulde funktionsliste kan ses i nedenstående billede taget fra databladet -

Nedenfor er kredsløbsdiagrammet for MCP1825 sammen med pin-out. Skematisk findes også i databladet, og ved simpelthen at forbinde nogle få eksterne komponenter som modstand og kondensator kan vi nemt bruge vores LDO til at regulere den krævede spænding med minimum spændingsby.

Retningslinjer for LDO - printkortdesign

Når du har afgjort LDO og testet den til at fungere efter dit design, kan du fortsætte med at designe printkortet til dit kredsløb. Følgende er et par tip, du skal huske, når du designer et printkort til LDO-komponenter.

Hvis der anvendes SMD-pakke, er det vigtigt at tilvejebringe et passende kobberareal i PCB'er, da LDO'er spreder varme.
Kobbertykkelse er en vigtig bidragyder til problemfri drift. 2 oz (70um) kobbertykkelse vil være et godt valg.
C1 og C2 skal være så tæt som muligt på MCP1825.
Det tykke jordplan kræves til støjrelaterede problemer.
Brug Vias til korrekt varmeafledning i dobbeltsidede printkort.