Laag begrijpen

Tegenwoordig zijn elektronische apparaten kleiner dan ooit tevoren. Dit stelt ons in staat om verschillende functies in compacte draagbare apparaten zoals smartwatches, fitnesstrackers en andere draagbare apparaten in te pakken, het helpt ons ook om IoT-apparaten op afstand in te zetten voor het bewaken van vee, het volgen van activa, enz. is dat ze op batterijen werken. En wanneer een apparaat op batterijen werkt, is het belangrijk dat ontwerpingenieurs componenten selecteren die elke milli-volt in hun ontwerp besparen, zodat het apparaat langer kan werken met het beschikbare batterijsap. Zodra zo'n onderdeel de Low-Dropout Voltage Regulator (LDO) is. In dit artikel zullen we meer leren over LDO en hoe u de juiste selecteert voor uw circuitontwerp.

Wat is een regelaar in elektronica?

Een regelaar is een apparaat of een goed ontworpen mechanisme dat iets regelt, hier verwijst het iets meestal naar spanning of stroom. Er zijn twee soorten regelaars die voornamelijk in de elektronica worden gebruikt, de eerste is een schakelende regelaar en de tweede is de lineaire regelaar. Ze hebben allebei een andere werkende architectuur en een ander subsysteem, maar we zullen ze in dit artikel niet bespreken. Maar om het simpel te zeggen, als een regelaar de uitgangsstroom regelt, wordt dit een stroomregelaar genoemd. Volgens hetzelfde aspect worden spanningsregelaars gebruikt om de spanning te regelen.

Verschil tussen LDO en lineaire regelaars

Lineaire regelaars zijn de meest gebruikte apparaten voor het regelen van de stroomvoorziening en de meesten van ons zullen bekend zijn met apparaten zoals 7805, LM317. Maar het nadeel van het gebruik van een lineaire regelaar in toepassingen op batterijen is dat hier de ingangsspanning van een lineaire regelaar altijd hoger moet zijn dan de gereguleerde uitgangsspanning. Dit betekent dat de verschillen tussen de ingangsspanningen en de uitgangsspanning groot zijn. Daarom hebben standaard lineaire regelaars enkele beperkingen wanneer de gereguleerde uitgangsspanning een dichte waarde van de ingangsspanning moet zijn.

Werken met een LDO

LDO maakt deel uit van de lineaire regulator-dynastie. Maar in tegenstelling tot normale lineaire regelaars is in een LDO het verschil tussen de ingangsspanning en de uitgangsspanning kleiner. Dit verschil wordt afvalspanning genoemd. Omdat de LDO een zeer lage uitvalspanning heeft, wordt deze spanningsregelaar met lage uitval genoemd. U kunt denken aan LDO's en een lineaire weerstand die in serie is geplaatst met de belasting om de spanning tot het vereiste niveau te verlagen. Het voordeel van het hebben van een LDO is dat de spanningsval erover veel minder zal zijn dan een weerstand.

Omdat de LDO een lage uitvalspanning biedt tussen ingang en uitgang, kan deze zelfs werken als de ingangsspanning relatief dicht bij de uitgangsspanning ligt. De spanningsval over een LDO zal tussen 300mV en maximaal 1,5V zijn. In sommige LDO's zijn de spanningsverschillen zelfs minder dan 300mV.

De bovenstaande afbeelding toont een eenvoudige LDO-constructie waarbij een gesloten-lussysteem is ontworpen. Uit de ingangsspanning wordt een referentiespanning gecreëerd en naar een verschilversterker geleid. De uitgangsspanning wordt gedetecteerd door een spanningsdeler en opnieuw toegevoerd aan de ingangspen van de verschilversterker. Afhankelijk van deze twee waarden, de output van de referentiespanning en de output van de spanningsdeler, produceert de versterker output. Deze uitgang stuurt de variabele weerstand aan. Daarom kan elke waarde van deze twee de output van de versterker veranderen. Hier is de spanningsreferentie nodig om stabiel te zijn om de ander nauwkeurig te kunnen detecteren. Bij een stabiele referentiespanning reflecteert een kleine variatie van de uitgangsspanning via de weerstandsdeler op de ingang van de verschilversterker.De versterker regelt vervolgens de variabele weerstand om een stabiele output te leveren. Aan de andere kant is de spanningsreferentie niet afhankelijk van de ingangsspanning en biedt deze een stabiele referentie over de differentiële versterker, waardoor deze immuun is voor de voorbijgaande veranderingen en ook deuitgangsspanning onafhankelijk van de ingangsspanning. De hier getoonde variabele weerstand wordt normaal gesproken vervangen door een efficiënte MOSFET of JFET in de actuale constructie. Bipolaire transistors worden niet gebruikt in LDO's vanwege de extra vereisten van stroom- en warmteopwekking, wat leidt tot een slecht rendement.

Parameters waarmee u rekening moet houden bij het selecteren van uw LDO

Basis kenmerken

Omdat het een essentieel apparaat is om de juiste stroomtoevoer naar de belasting te garanderen, is het eerste belangrijke kenmerk de belastingregeling en de stabiele output. Een goede regeling van de belasting is essentieel tijdens veranderingen in de belastingsstroom. Wanneer de belasting toeneemt of afneemt, mag de uitgangsspanning van de regelaar niet fluctueren. De fluctuatie van de uitgangsspanning wordt gemeten in mV-bereik per ampère stroom en wordt nauwkeurigheden genoemd. De nauwkeurigheid van de uitgangsspanning van een LDO varieert van 5mV tot 50mV, een paar percentages van de uitgangsspanning.

Veiligheids- en beschermingsfuncties

LDO biedt basisveiligheidsfuncties door te zorgen voor een goede stroomtoevoer over de uitgang. De veiligheidsvoorzieningen zijn ondergebracht met behulp van beveiligingscircuits over ingang en uitgang. De beveiligingscircuits zijn onderspanningsbeveiliging (UVLO), overspanningsbeveiliging (OVLO), overspanningsbeveiliging, kortsluitbeveiliging en thermische beveiliging.

In sommige situaties kan de ingangsspanning die aan de regelaar wordt geleverd aanzienlijk laag worden of oplopen tot een hoge waarde. Dit resulteert in een onjuiste spanning en stroomuitvoer van de LDO die onze belasting zal beschadigen. Als de ingangsspanning over de LDO de limieten overschrijdt, worden de UVLO- en OVLO-bescherming geactiveerd om de LDO en de belasting te beschermen. De ondergrens voor UVLO en de maximale ingangsspanningsgrenzen kunnen worden ingesteld met behulp van eenvoudige spanningsdelers.

Overspanningsbeveiligingscircuit biedt immuniteit voor de LDO tegen transiënten en hoogspanningspieken of -pieken. Het is ook een extra functie die wordt aangeboden door verschillende LDO's. Kortsluitbeveiliging is een vorm van overstroombeveiliging. Als de belasting wordt kortgesloten, koppelt de kortsluitbeveiliging van een LDO de belasting los van de ingangsvoeding. Thermische bescherming werkt wanneer de LDO wordt verwarmd. Tijdens het opwarmen stopt het thermische beveiligingscircuit de LDO met werken om verdere schade te voorkomen.

Extra functies

LDO's kunnen twee extra logische niveauregelingspennen hebben om te communiceren met een microcontroller-ingang. Enable pin, vaak aangeduid als EN en dit is een input pin van de LDO. Een eenvoudige microcontroller kan de status van de EN-pin van een LDO wijzigen om de stroomuitgang in of uit te schakelen. Dit is een handige functie wanneer ladingen moeten worden in- of uitgeschakeld voor toepassingsdoeleinden.

Power Good pin is een output pin van de LDO. Deze pin kan ook worden verbonden met een microcontroller-eenheid om een logisch laag of hoog te leveren, afhankelijk van de stroomtoestand. Op basis van de goede pin van de stroomtoestand kan de microcontroller-eenheid de informatie over de stroomstatus over de LDO verkrijgen.

Beperkingen van LDO

Hoewel LDO een goede output biedt bij een lage uitvalspanning, heeft het toch enkele beperkingen. De belangrijkste beperking van de LDO is efficiëntie. Het is waar dat de LDO beter is dan de standaard lineaire regelaars in termen van vermogensdissipatie en efficiëntie, maar het is nog steeds een slechte keuze voor de draagbare batterijgerelateerde operaties waar de efficiëntie de belangrijkste zorg is. De efficiëntie wordt zelfs slecht als de ingangsspanning aanzienlijk hoger is dan de uitgangsspanning. De warmteafvoer neemt toe naarmate de spanningsval hoger is. De overtollige afvalenergie die als warmte wordt omgezet en een koellichaam vereist, resulteerde in een groter PCB-oppervlak en leidde tot kosten voor componenten. Voor een betere efficiëntie zijn schakelende regelaars nog steeds de beste keuze ten opzichte van lineaire regelaars, met name LDO's.

Moet ik LDO gebruiken voor mijn volgende ontwerp?

Omdat LDO's een zeer lage uitvalspanning bieden, is het goed om alleen een LDO te selecteren als de gewenste uitgangsspanning zeer dicht bij de beschikbare ingangsspanning ligt. Onderstaande vragen kunnen u helpen bepalen of uw circuitontwerp daadwerkelijk een LDO nodig heeft

Ligt de gewenste uitgangsspanning dicht bij de beschikbare ingangsspanning? Zo ja, hoeveel? Het is goed om LDO te gebruiken als het verschil tussen ingangsspanning en uitgangsspanning minder dan 300mV is
Wordt 50-60% van de efficiëntie geaccepteerd voor de gewenste toepassing?
Geluidsarme voeding is een noodzaak?
Als de kosten een probleem zijn en een eenvoudig, lager aantal onderdelen, is de ruimtebesparende oplossing nodig.
Wordt het te duur en te omvangrijk om een schakelcircuit toe te voegen?

Als u alle bovenstaande vragen met "JA" hebt beantwoord, is LDO wellicht een goede keuze. Maar wat wordt de specificatie van de LDO? Nou, het hangt af van de onderstaande parameters.

Uitgangsspanning.
Minimale en maximale ingangsspanning.
Uitgangsstroom.
Pakket van de LDO's.
De kosten en beschikbaarheid.
De optie Inschakelen en uitschakelen is vereist of niet.
Extra beveiligingsopties die nodig zijn voor de applicatie. Zoals overstroombeveiliging, UVLO en OVLO, etc.

Populaire LDO's op de markt

Elke fabrikant van stroom-IC's zoals Texas Instruments, Linear Technology enz. Heeft ook enkele oplossingen voor LDO. Texas Instruments heeft een breed scala aan LDO's, afhankelijk van verschillende ontwerpbehoeften, de onderstaande grafiek toont de enorme verzameling LDO's met een breed scala aan uitgangsstroom en ingangsspanning.

Evenzo heeft lineaire technologie van analoge apparaten ook enkele hoogwaardige regelaars met lage uitval.

LDO - Voorbeeldontwerp

Laten we eens kijken naar een praktisch geval waarin LDO verplicht zal zijn. Stel dat een goedkope, eenvoudige, ruimtebesparende oplossing nodig is voor het omzetten van de 3,7 V lithiumbatterijuitgang naar een stabiele 3,3 V 500 mA bron met korte stroomlimiet en thermische beveiliging. De voedingsoplossing moet worden verbonden met een microcontroller om een bepaalde belasting in of uit te schakelen en de efficiëntie kan 50-60% zijn. Omdat we een eenvoudige en goedkope oplossing nodig hebben, kunnen we de ontwerpen van schakelregelaars uitsluiten.

Een lithiumbatterij kan 4,2 V leveren tijdens volledig opgeladen toestand en 3,2 V in volledig lege toestand. Daarom kan de LDO worden bestuurd om de belasting te ontkoppelen bij een laagspanningssituatie door de ingangsspanning van de LDO door de microcontrollereenheid te detecteren.

Om te sommen hebben we nodig, 3.3V uitgangsspanning, 500mA stroom, Pin-optie inschakelen, laag aantal onderdelen, ongeveer 300-400 mV uitvalvereisten, kortsluitbeveiliging samen met thermische uitschakelfunctie, voor deze toepassing is mijn persoonlijke LDO-keuze MCP1825 - 3.3V vaste spanningsregelaar door microchip.

De volledige lijst met functies is te zien in de onderstaande afbeelding, afkomstig uit het gegevensblad -

Hieronder ziet u het schakelschema van MCP1825 samen met de pin-out. Het schema staat ook in de datasheet, dus door simpelweg een paar externe componenten zoals weerstand en condensator aan te sluiten, kunnen we eenvoudig onze LDO gebruiken om de vereiste spanning te regelen met een minimum aan spanning dorp.

LDO - PCB-ontwerprichtlijnen

Nadat u de LDO heeft vastgesteld en getest om te werken voor uw ontwerp, kunt u doorgaan met het ontwerpen van de PCB voor uw circuit. Hieronder volgen enkele tips die u moet onthouden bij het ontwerpen van een PCB voor LDO-componenten.

Als een SMD-pakket wordt gebruikt, is het essentieel om voor een goed koperoppervlak in PCB's te zorgen, aangezien LDO's warmte afvoeren.
De dikte van het koper levert een belangrijke bijdrage aan een probleemloze werking. 2 Oz (70um) koperdikte is een goede keuze.
C1 en C2 moeten zo dicht mogelijk bij de MCP1825 zijn.
Het dikke grondvlak is nodig voor geluidsgerelateerde problemen.
Gebruik Vias voor een goede warmteafvoer in dubbelzijdige printplaten.