Izpratne par zemu

Mūsdienās elektronisko ierīču izmēri ir samazinājušies nekā jebkad agrāk. Tas ļauj mums iesaiņot kompaktās pārnēsājamās ierīcēs, piemēram, viedajos pulksteņos, fitnesa izsekotājos un citās valkājamās ierīcēs, toņu toņos, tas arī palīdz mums izvietot attālinātas IoT ierīces liellopu uzraudzībai, aktīvu izsekošanai utt. Viena kopīga lieta starp visām šīm portatīvajām ierīcēm ir tas, ka tie darbojas ar akumulatoru. Ja ierīce darbojas ar akumulatoru, dizaina inženieriem ir svarīgi izvēlēties komponentus, kas to konstrukcijā ietaupa katru miltu voltu, lai ierīci darbinātu ilgāk ar pieejamo akumulatora sulu. Kad šāds komponents ir zema krituma sprieguma regulators (LDO). Šajā rakstā mēs uzzināsim vairāk par LDO un to, kā izvēlēties pareizo ķēdes dizainam.

Kas ir elektronikas regulators?

Regulators ir ierīce vai labi izstrādāts mehānisms, kas kaut ko regulē, šeit kaut kas parasti attiecas uz strāvas spriegumu. Ir divu veidu regulatori, kurus galvenokārt izmanto elektronikā, pirmais ir komutācijas regulators, bet otrais ir lineārais regulators. Viņiem abiem ir atšķirīga darba arhitektūra un apakšsistēma, taču mēs tos šajā rakstā neapspriedīsim. Bet vienkāršāk sakot, ja regulators kontrolē izejas strāvu, to sauc par strāvas regulatoru. Tajā pašā aspektā sprieguma regulēšanai tiek izmantoti sprieguma regulatori.

Atšķirība starp LDO un lineārajiem regulatoriem

Lineārie regulatori ir visizplatītākās ierīces, ko izmanto barošanas avota regulēšanai, un lielākā daļa no mums būs pazīstami ar tādām ierīcēm kā 7805, LM317. Bet, lietojot lineāru regulatoru akumulatoros darbināmās lietās, negatīvie aspekti ir tādi, ka šeit lineārā regulatora ieejas spriegumam vienmēr jābūt lielākam par regulēto izejas spriegumu. Nozīme, atšķirības starp ieejas spriegumu un izejas spriegumu ir lielas. Tāpēc standarta lineārajiem regulatoriem ir daži ierobežojumi, kad regulētajam izejas spriegumam jābūt tuvam ieejas sprieguma vērtībai.

LDO darbība

LDO ir daļa no lineārā regulatora dinastijas. Bet, atšķirībā no parastajiem lineārajiem regulatoriem, LDO starpība starp ieejas spriegumu un izejas spriegumu ir mazāka. Šo atšķirību sauc par izstumšanas spriegumu. Tā kā LDO ir ļoti zems izstumšanas spriegums, to sauc par Zema izkrišanas sprieguma regulatoriem. Jūs varat domāt par LDO - lineāru rezistoru, kas paletēts virknē ar slodzi, lai samazinātu spriegumu līdz vajadzīgajam līmenim. LDO esamība ir tāda, ka sprieguma kritums tajā būs daudz mazāks nekā rezistors.

Tā kā LDO piedāvā zemu izkrišanas spriegumu starp ieeju un izeju, tas var darboties pat tad, ja ieejas spriegums ir relatīvi tuvu izejas spriegumam. Sprieguma kritums LDO būs no 300 mV līdz 1,5 V maksimums. Dažās LDO sprieguma atšķirības ir pat mazākas par 300mV.

Iepriekš redzamajā attēlā ir parādīta vienkārša LDO konstrukcija, kur ir paredzēta slēgta cikla sistēma. Atskaites spriegums tiek izveidots no ieejas sprieguma un tiek ievadīts diferenciālajā pastiprinātājā. Izejas spriegums tiek uztverts ar sprieguma dalītāju un atkal tiek ievadīts diferenciālā pastiprinātāja ieejas tapā. Atkarībā no šīm divām vērtībām, izejas no atskaites sprieguma un izejas no sprieguma dalītāja, pastiprinātājs rada izeju. Šī izeja kontrolē mainīgo rezistoru. Tādējādi jebkurš šo divu lielums var mainīt pastiprinātāja izvadi. Šeit sprieguma atskaitei jābūt stabilai, lai precīzi sajustu otru. Kad atskaites spriegums ir stabils, neliela izejas sprieguma variācija atspoguļojas uz diferenciālā pastiprinātāja ieeju caur rezistora dalītāju.Pēc tam pastiprinātājs kontrolē mainīgo rezistoru, lai nodrošinātu stabilu izeju. No otras puses, sprieguma atskaite nav atkarīga no ieejas sprieguma un nodrošina stabilu atskaiti visā diferenciālajā pastiprinātājā, padarot to imūno pret pārejošām izmaiņām, kā arī padaraizejas spriegums neatkarīgi no ieejas sprieguma. Šeit parādīto mainīgo rezistoru faktiskajā konstrukcijā parasti aizstāj ar efektīvu MOSFET vai JFET. Bipolāros tranzistorus LDO neizmanto papildu strāvas un siltuma ražošanas prasību dēļ, kas noved pie sliktas efektivitātes.

Parametri, kas jāņem vērā, izvēloties LDO

Pamata funkcijas

Tā kā tā ir būtiska ierīce, lai nodrošinātu pareizu enerģijas piegādi slodzei, pirmā galvenā iezīme ir slodzes regulēšana un stabila izeja. Pareiza slodzes regulēšana ir būtiska slodzes strāvas maiņas laikā. Kad slodze palielinās vai samazinās strāvas patēriņu, regulatora izejas spriegumam nevajadzētu svārstīties. Izejas sprieguma svārstības mēra mV diapazonā uz strāvas ampēru un tiek sauktas par precizitāti. Izejas spriegums precizitāte no LDO svārstās no 5mV līdz 50mV robežās, dažiem procentos no izejas sprieguma.

Drošības un aizsardzības funkcijas

LDO piedāvā pamata drošības funkcijas, nodrošinot pareizu strāvas padevi visā izvadā. Drošības funkcijas tiek pielāgotas, izmantojot ieejas un izejas aizsardzības shēmas. Aizsardzības shēmas ir nepietiekama sprieguma aizsardzība (UVLO), pārsprieguma aizsardzība (OVLO), pārsprieguma aizsardzība, izejas īssavienojuma aizsardzība un termiskā aizsardzība.

Dažās situācijās ieejas spriegums, kas tiek piegādāts regulatoram, var ievērojami pazemināties vai palielināties līdz augstai vērtībai. Tā rezultātā no LDO rodas nepareiza sprieguma un strāvas izeja, kas sabojās mūsu slodzi. Ja ieejas spriegums pāri LDO pārsniedz robežas, tiek iedarbināta UVLO un OVLO aizsardzība, lai aizsargātu LDO un slodzi. UVLO apakšējo robežu un maksimālās ieejas sprieguma robežas var iestatīt, izmantojot vienkāršus sprieguma dalītājus.

Pārsprieguma aizsardzības shēma nodrošina LDO imunitāti no pārejas un augstsprieguma pārsprieguma vai tapas. Tā ir arī papildu iespēja, ko piedāvā dažādas LDO. Izejas īssavienojuma aizsardzība ir pārsprieguma aizsardzības veids. Ja slodze tiek saīsināta, LDO īssavienojuma aizsardzības funkcija atvieno slodzi no ieejas barošanas avota. Termiskā aizsardzība darbojas, kad LDO tiek uzkarsēts. Uzsildīšanas laikā termiskās aizsardzības ķēde pārtrauc LDO darbību, lai novērstu turpmākus tā bojājumus.

Papildus iespējas

Lai sazinātos ar mikrokontrollera ieeju, LDO var būt divas papildu loģiskā līmeņa vadības adatas. Iespējot tapu, ko bieži dēvē par EN, un tā ir LDO ievades tapa. Vienkāršs mikrokontrolleris var mainīt LDO EN kontakta stāvokli, lai iespējotu vai atspējotu jaudas izvadi. Šī ir ērta funkcija, kad lietojumprogrammas vajadzībām kravas ir jāieslēdz vai jāizslēdz.

Power Good pin ir LDO izvades tapa. Šo tapu var arī savienot ar mikrokontrollera bloku, lai nodrošinātu zemu vai augstu loģiku atkarībā no jaudas stāvokļa. Pamatojoties uz strāvas stāvokļa labo tapu, mikrokontrolleru bloks var iegūt informāciju par strāvas stāvokli visā LDO.

LDO ierobežojumi

Lai gan LDO piedāvā pareizu izeju ar zemu spriegumu, tomēr tam ir daži ierobežojumi. Galvenais LDO ierobežojums ir efektivitāte. Ir taisnība, ka jaudas izkliedes un efektivitātes ziņā LDO ir labāka par standarta lineārajiem regulatoriem, taču tā joprojām ir slikta izvēle ar portatīvo akumulatoru saistītajām darbībām, kur efektivitāte ir galvenā problēma. Efektivitāte kļūst vēl sliktāka, ja ieejas spriegums ir ievērojami lielāks par izejas spriegumu. Siltuma izkliede palielinās, ja sprieguma kritums ir lielāks. Enerģijas pārpalikums, kas tiek pārveidots kā siltums un kam nepieciešams radiators, palielināja PCB platību, kā arī radīja komponentu izmaksas. Lai panāktu labāku efektivitāti, regulatoru pārslēgšana joprojām ir labākā izvēle nekā lineārie regulatori, īpaši LDO.

Vai man nākamajam dizainam vajadzētu izmantot LDO?

Tā kā LDO piedāvā ļoti zemu izstumšanas spriegumu, ir labi izvēlēties LDO tikai tad, kad vēlamais izejas spriegums ir ļoti tuvu pieejamajam ieejas spriegumam. Zemāk sniegtie jautājumi var palīdzēt jums noteikt, vai ķēdes projektēšanai patiešām ir nepieciešams LDO

1. Vai vēlamais izejas spriegums ir tuvu pieejamajam ieejas spriegumam? Ja jā, tad cik? Ir labi izmantot LDO, ja starpība starp ieejas spriegumu un izejas spriegumu ir mazāka par 300mV
2. Vai vēlamajam pielietojumam tiek pieņemti 50–60% efektivitātes?
3. Zema trokšņa strāvas padeve ir vajadzīga?
4. Ja izmaksas ir problēma un vienkāršas, mazākas daļas, ir nepieciešams vietas taupīšanas risinājums.
5. Vai būs pārāk dārgi un apjomīgi pievienot komutācijas ķēdi?

Ja uz visu iepriekš minēto jautājumu esat atbildējis “JĀ”, LDO varētu būt laba izvēle. Bet kāda būs LDO specifikācija? Nu, tas ir atkarīgs no tālāk norādītajiem parametriem.

• Izejas spriegums.
• Minimālais un maksimālais ieejas spriegums.
• Izejas strāva.
• LDO pakete.
• Izmaksas un pieejamība.
• Opcija Iespējot un atspējot ir nepieciešama vai nav.
• Papildu aizsardzības iespējas, kas nepieciešamas lietojumprogrammai. Piemēram, pārslodzes aizsardzība, UVLO un OVLO utt.

Populāri LDO tirgū

Katram atsevišķam jaudas IC ražotājam, piemēram, Texas Instruments, Linear Technology utt., Ir arī daži risinājumi LDO. Texas Instruments ir plašs LDO klāsts atkarībā no dažādām dizaina vajadzībām, zemāk redzamā diagramma parāda tās milzīgo LDO kolekciju ar plašu izejas strāvas un ieejas sprieguma diapazonu.

Līdzīgi, lineārajai tehnoloģijai no analogajām ierīcēm ir arī daži augstas veiktspējas regulatori ar zemu kritumu.

LDO - dizaina piemērs

Apskatīsim praktisku gadījumu, kad LDO būs obligāta. Pieņemsim, ka 3,7 V litija akumulatora izejas pārveidošanai par stabilu 3,3 V 500 mA avotu ar īsu strāvas ierobežojumu un termisko aizsardzību ir vajadzīgs zemu izmaksu, vienkāršs, vietu taupošs risinājums. Jaudas risinājums ir jāpievieno mikrokontrollerim, lai iespējotu vai atspējotu noteiktu slodzi, un efektivitāte var būt 50-60%. Tā kā mums ir nepieciešams vienkāršs un zemu izmaksu risinājums, mēs varam izslēgt komutācijas regulatora dizainu.

Litija akumulators var nodrošināt 4,2 V pilnīgas uzlādes laikā un 3,2 V pilnīgi tukšā stāvoklī. Tāpēc LDO var kontrolēt, lai atvienotu slodzi zemā sprieguma situācijā, mikrokontrolleru blokam uztverot LDO ieejas spriegumu.

Apkopojot mums nepieciešamo, 3,3 V izejas spriegums, 500 mA strāva, Iespējot tapas opciju, mazs detaļu skaits, aptuveni 300–400 mV prasības attiecībā uz atteikšanos, izejas īssavienojuma aizsardzība kopā ar termiskās izslēgšanās funkciju, šai lietojumprogrammai mana personīgā LDO izvēle ir MCP1825 - 3,3 V fiksēta sprieguma regulators ar mikroshēmu.

Pilns funkciju saraksts ir redzams zemāk esošajā attēlā, kas ņemts no datu lapas -

Zemāk ir MCP1825 shēma kopā ar tapu. Shēma ir sniegta arī datu lapā, tādējādi, vienkārši savienojot dažus ārējos komponentus, piemēram, rezistoru un kondensatoru, mēs varam viegli izmantot mūsu LDO, lai regulētu nepieciešamo spriegumu ar minimālo spriegumu dorp.

LDO - PCB dizaina vadlīnijas

Kad esat noņēmis LDO un pārbaudījis, vai tas atbilst jūsu dizainam, varat turpināt izstrādāt shēmu savai shēmai. Šie ir daži padomi, kas jums jāatceras, izstrādājot PCB LDO komponentiem.

1. Ja tiek izmantota SMD pakete, ir svarīgi nodrošināt pienācīgu vara laukumu PCB, jo LDO izkliedē siltumu.
2. Vara biezums ir galvenais faktors bez traucējumiem. 2 Oz (70um) vara biezums būs laba izvēle.
3. C1 un C2 jābūt pēc iespējas tuvāk MCP1825.
4. Biezā zemes plakne ir nepieciešama ar troksni saistītos jautājumos.
5. Pareizai siltuma izkliedēšanai divpusējos PCB izmantojiet Vias.