Förstå lågt

Idag har elektroniska enheter krympt i storlek än någonsin tidigare. Detta gör att vi kan packa i toner av funktioner i kompakta bärbara enheter som smarta klockor, fitnessspårare och andra bärbara enheter, det hjälper oss också att distribuera fjärranslutna IoT-enheter för övervakning av nötkreatur, spårning av tillgångar etc. En vanlig sak bland alla dessa bärbara enheter är att de är batteridrivna. Och när en enhet är batteridriven är det viktigt för designtekniker att välja komponenter som sparar varje millivolt i sin design för att köra enheten under längre tid med tillgänglig batterijuice. När en sådan komponent är LDO (Low-Dropout Voltage Regulator). I den här artikeln kommer vi att lära dig mer om LDO och hur du väljer rätt för din kretsdesign.

Vad är en regulator inom elektronik?

En regulator är en enhet eller en väldesignad mekanism som reglerar något, här hänvisar något vanligtvis till strömspänning. Det finns två typer av regulatorer som huvudsakligen används inom elektronik, den första är att växla regulator och den andra är den linjära regulatorn. De har båda olika arbetsarkitektur och delsystem, men vi kommer inte att diskutera dem i den här artikeln. Men för att uttrycka det enkelt, om en regulator styr utströmmen kallas den en strömregulator. Av samma aspekt används spänningsregulatorer för att kontrollera spänningen.

Skillnad mellan LDO och linjära regulatorer

Linjära regulatorer är de vanligaste enheterna som används för reglering av strömförsörjningen och de flesta av oss kommer att vara mer kända för enheter som 7805, LM317. Men nackdelen med att använda en linjär regulator i batteridrivna applikationer är att ingångsspänningen hos en linjär regulator alltid behövs för att vara högre än den reglerade utspänningen. Det betyder att skillnaderna mellan ingångsspänningar och utgångsspänning är höga. Därför har vanliga linjära regulatorer vissa begränsningar när den reglerade utspänningen krävs för att vara ett nära värde för ingångsspänningen.

Arbeta med en LDO

LDO är en del av linjär regulatordynasti. Men till skillnad från normala linjära regulatorer är skillnaden mellan ingångsspänning och utgångsspänning i en LDO mindre. Denna skillnad kallas utfallsspänning. Eftersom LDO har mycket låg avbrottsspänning kallas den som lågavbrottsspänningsregulatorer. Du kan tänka dig att en LDO är ett linjärt motstånd som är serie i serie med belastningen för att minska spänningen till önskad nivå. Fördelen med att ha en LDO är att spänningsfallet över det kommer att vara mycket mindre än ett motstånd.

Eftersom LDO erbjuder låg utspänning mellan ingång och utgång kan den fungera även om ingångsspänningen ligger relativt nära utgångsspänningen. Spänningsfallet över en LDO kommer att vara mellan 300mV och 1,5V maximalt. I vissa LDO är spänningsskillnaderna till och med mindre än 300 mV.

Ovanstående bild visar en enkel LDO-konstruktion där ett slutet system är utformat. En referensspänning skapas från ingångsspänningen och matas till en differentiell förstärkare. Utgångsspänningen känns av en spänningsdelare och matas igen till ingångsstiftet på differentialförstärkaren. Beroende på dessa två värden, utgången från referensspänningen och utgången från spänningsdelaren, producerar förstärkaren utgång. Denna utgång styr det variabla motståndet. Därför kan vilket värde som helst av dessa två ändra förstärkarens utgång. Här behövs spänningsreferensen för att vara stabil för att noggrant känna av den andra. När referensspänningen är stabil, reflekteras en liten variation av utspänningen på ingången till differentialförstärkaren via motståndsdelaren.Förstärkaren styr sedan det variabla motståndet för att ge en stabil utgång. Å andra sidan är spänningsreferensen inte beroende av ingångsspänningen och ger stabil referens över differentialförstärkaren vilket gör den immun mot de övergående förändringarna och gör ocksåutgångsspänning oberoende av ingångsspänningen. Det variabla motståndet som visas här kommer normalt att ersättas av en effektiv MOSFET eller JFET i den faktiska konstruktionen. Bipolära transistorer används inte i LDO på grund av de extra kraven på ström och värmeproduktion vilket leder till dålig effektivitet.

Parametrar att tänka på när du väljer din LDO

Grundläggande funktioner

Eftersom det är en viktig anordning för att säkerställa korrekt strömförsörjning till lasten, är den första nyckelfunktionen lastreglering och den stabila effekten. Korrekt belastningsreglering är avgörande vid lastströmbyten. När lasten ökar eller minskar sin strömförbrukning bör utspänningen från regulatorn inte fluktuera. Fluktuationen i utspänningen mäts i mV-intervall per ström och kallas som noggrannhet. Den utspänning noggrannhet av en LDO varierar från 5mV till 50mV intervall, några procentandelar av utspänningen.

Säkerhets- och skyddsfunktioner

LDO erbjuder grundläggande säkerhetsfunktioner genom att säkerställa korrekt strömförsörjning över utgången. Säkerhetsfunktionerna tillgodoses med hjälp av skyddskretsar över ingång och utgång. Skyddskretsarna är UV-skydd, UV-skydd, överspänningsskydd (OVLO), överspänningsskydd, utgående kortslutningsskydd och termiskt skydd.

I vissa situationer kan ingångsspänningen till regulatorn sjunka betydligt lågt eller öka till högt värde. Detta resulterar i felaktig spänning och strömutgång från LDO som kommer att skada vår belastning. Om ingångsspänningen över LDO är utanför gränserna utlöses UVLO- och OVLO-skyddet för att skydda LDO och belastningen. Den nedre gränsen för UVLO och de maximala ingångsspänningsgränserna kan ställas in med enkla spänningsdelare.

Överspänningsskyddskrets erbjuder LDO: s immunitet från transienter och högspänningsbågar eller spikar. Det är också en ytterligare funktion som erbjuds av olika LDO. Kortslutningsskydd är en form av överströmsskydd. Om lasten kortsluts kopplar kortslutningsskyddsfunktionen i en LDO från lasten från den ingående strömförsörjningen. Termiskt skydd fungerar när LDO värms upp. Under uppvärmning stoppar värmeskyddskretsen LDO från att arbeta för att förhindra ytterligare skador på den.

Ytterligare egenskaper

LDO: er kan ha ytterligare två kontrollstift för logisk nivå för att kommunicera med en mikrokontrolleringång. Aktivera stift som ofta kallas EN och detta är en inmatningsstift för LDO. En enkel mikrokontroller kan ändra tillståndet för EN-stift för en LDO för att aktivera eller inaktivera uteffekten. Detta är en praktisk funktion när laster måste slås på eller av för applikationsändamål.

Power Good-stift är en utgångsstift från LDO. Denna stift kan också anslutas till en mikrokontroller för att ge en logisk låg eller hög beroende på strömförhållandet. Baserat på tillståndet med bra stift kan mikrokontroller-enheten få information om effektstatus över LDO.

Begränsningar av LDO

Även om LDO erbjuder korrekt uteffekt vid låg utspänning, har den fortfarande vissa begränsningar. Den största begränsningen för LDO är effektivitet. Det är sant att LDO är bättre än de vanliga linjära regulatorerna när det gäller strömavledning och effektivitet, men det är fortfarande ett dåligt val för de bärbara batterirelaterade operationerna där effektiviteten är det största problemet. Effektiviteten blir ännu dålig om ingångsspänningen är betydligt högre än utgångsspänningen. Värmeavledningen ökar när spänningsfallet är högre. Överskottet avfallsenergi som omvandlas som värme och kräver en kylfläns, resulterade i ökad PCB-yta samt medförde en komponentkostnad. För bättre effektivitet är växlingsregulatorer fortfarande det bästa valet jämfört med linjära regulatorer, särskilt LDO.

Ska jag använda LDO för min nästa design?

Eftersom LDO erbjuder mycket låg frånfallsspänning är det bra att välja en LDO endast när den önskade utspänningen är mycket nära den tillgängliga ingångsspänningen. Nedanstående frågor kan hjälpa dig att avgöra om din kretsdesign faktiskt behöver en LDO

1. Är den önskade utspänningen nära den tillgängliga ingångsspänningen? Om ja, hur mycket? Det är bra att använda LDO om skillnaden mellan ingångsspänning och utgångsspänning är mindre än 300 mV
2. Accepteras 50-60% av effektiviteten för den önskade applikationen?
3. Strömförsörjning med låg ljudnivå är ett behov?
4. Om kostnaden är ett problem och en enkel, lägre delantal krävs den platsbesparande lösningen.
5. Kommer det att bli för dyrt och skrymmande att lägga till en kopplingskrets?

Om du har svarat ”JA” för alla ovanstående frågor kan LDO vara ett bra val. Men vad kommer specifikationen för LDO att vara? Tja, det beror på nedanstående parametrar.

• Utspänning.
• Lägsta och högsta ingångsspänning.
• Utgångsström.
• Paket med LDO: er.
• Kostnad och tillgänglighet.
• Alternativet Aktivera och Inaktivera krävs eller inte.
• Ytterligare skyddsalternativ som krävs för applikationen. Såsom överströmsskydd, UVLO och OVLO, etc.

Populära LDO på marknaden

Varje enskild IC-tillverkare som Texas Instruments, Linear Technology etc. har också några lösningar för LDO. Texas Instruments har ett brett utbud av LDO: er beroende på olika designbehov, nedanstående diagram visar sin enorma samling LDO med ett brett utbud av utström och ingångsspänning.

På samma sätt har linjär teknik från analoga enheter också några högpresterande regulatorer med lågt utfall.

LDO - Exempel på design

Låt oss överväga ett praktiskt fall där LDO kommer att vara obligatoriskt. Antag att det behövs en enkel, utrymmesbesparande lösning för att konvertera 3,7 V litiumbatteriutgång till en stabil 3,3 V 500 mA källa med kort strömgräns och termiskt skydd. Kraftlösningen måste anslutas till en mikrokontroller för att aktivera eller inaktivera viss belastning och effektiviteten kan vara 50-60%. Eftersom vi behöver en enkel och billig lösning kan vi utesluta växlingsregulatorns konstruktioner.

Ett litiumbatteri kan ge 4,2 V under fulladdat tillstånd och 3,2 V i helt tomt skick. Därför kan LDO styras för att koppla bort belastningen vid lågspänningssituation genom att känna av ingångsspänningen för LDO av mikrokontrollenheten.

För att summera behöver vi, 3,3 V utspänning, 500 mA ström, Aktivera stiftalternativ, låga delantal, cirka 300-400 mV bortfallskrav, utgång kortslutningsskydd tillsammans med termisk avstängningsfunktion, för denna applikation är mitt personliga val av LDO MCP1825 - 3,3 V fast spänningsregulator med mikrochip.

Hela listan över funktioner kan ses i bilden nedan, hämtad från databladet -

Nedan är kretsschemat för MCP1825 tillsammans med uttaget. Schemat tillhandahålls också i databladet, och genom att enkelt ansluta några externa komponenter som motstånd och kondensator kan vi enkelt använda vår LDO för att reglera den nödvändiga spänningen med minsta spänningsby.

Riktlinjer för LDO - PCB-design

När du har avskaffat LDO och testat den för att fungera för din design kan du fortsätta med att designa kretskortet för din krets. Följande är några tips du bör komma ihåg när du utformar ett PCB för LDO-komponenter.

1. Om SMD-paket används är det viktigt att tillhandahålla ett korrekt kopparområde i kretskort eftersom LDO-värden försvinner.
2. Koppartjocklek är en viktig bidragsgivare till problemfri drift. 2 Oz (70um) koppartjocklek kommer att vara ett bra val.
3. C1 och C2 måste vara så nära MCP1825 som möjligt.
4. Det tjocka jordplanet krävs för bullerrelaterade problem.
5. Använd Vias för korrekt värmeavledning i dubbelsidiga PCB.