הבנה נמוכה

כיום המכשירים האלקטרוניים הצטמצמו מאי פעם. זה מאפשר לנו לארוז גוונים של תכונות במכשירים ניידים קומפקטיים כמו שעונים חכמים, עוקבי כושר ומכשירים לבישים אחרים, זה גם עוזר לנו לפרוס מכשירי IoT מרוחקים לניטור בקר, מעקב אחר נכסים וכו '. דבר נפוץ אחד בין כל המכשירים הניידים הללו היא שהם מופעלים באמצעות סוללה. וכאשר מכשיר מופעל על ידי סוללה, חשוב למהנדסי העיצוב לבחור רכיבים החוסכים כל מילי וולט בעיצובם כדי להריץ את המכשיר לזמן ארוך יותר עם מיץ הסוללה הזמין. ברגע שרכיב כזה הוא רגולטור מתח נמוך נשירה (LDO). במאמר זה נלמד עוד על LDO וכיצד לבחור את המתאים לתכנון המעגלים שלך.

מהו רגולטור בתחום האלקטרוניקה?

וסת הוא מכשיר או מנגנון מתוכנן היטב המווסת משהו, כאן משהו בדרך כלל מתייחס למתח של זרם. ישנם שני סוגים של וסתים המשמשים בעיקר באלקטרוניקה, הראשון הוא מווסת מיתוג והשני הוא הווסת הליניארי. לשניהם ארכיטקטורה ותת-מערכת עבודה שונים, אך אנו לא נדון בהם במאמר זה. אבל במילים פשוטות, אם הרגולטור שולט בזרם המוצא אז זה נקרא רגולטור זרם. לפי אותו היבט, רגולטורי מתח משמשים לשליטה במתח.

ההבדל בין הרגולטורים LDO לבין הרגולטורים הליניאריים

וסתים לינאריים הם המכשירים הנפוצים ביותר המשמשים לוויסות אספקת החשמל ורובנו נהיה מוכרים יותר למכשירים כמו 7805, LM317. אבל, החיסרון של שימוש בווסת ליניארי ביישומים המופעלים באמצעות סוללות הוא שכאן תמיד יש צורך במתח הכניסה של הרגולטור הליניארי להיות גבוה יותר מאשר מתח המוצא המווסת. כלומר ההבדלים בין מתח הכניסה למתח היציאה הם גבוהים. לכן, לווסתים ליניאריים סטנדרטיים יש מגבלות מסוימות כאשר מתח המוצא המווסת נדרש להיות ערך קרוב של מתח הכניסה.

עבודה של LDO

LDO הוא חלק משושלת הרגולטור הליניארית. אך בניגוד לווסתים לינאריים רגילים, ב- LDO ההבדל בין מתח הכניסה למתח היציאה הוא פחות. הבדל זה נקרא כמתח נשירה. מכיוון של- LDO יש מתח נשירה נמוך מאוד הוא מכונה כווסת מתח נשירה נמוך. אתה יכול לחשוב על LDO ונגד לינארי המחובר בסדרה עם העומס כדי להפחית את המתח לרמה הנדרשת. היתרון בכך שיש לו LDO הוא כי ירידת המתח על פניו תהיה הרבה פחות מנגד.

מכיוון שה- LDO מציע מתח נשירה נמוך בין קלט לפלט, הוא יכול לעבוד גם אם מתח הקלט קרוב יחסית למתח היציאה. ירידת המתח על פני LDO תהיה בין 300mV ל- 1.5V מקסימום. בחלק מה LDOs, הפרשי המתח הם אפילו פחות מ -300 mV.

התמונה לעיל מציגה קונסטרוקציית LDO פשוטה בה מעוצבת מערכת לולאה סגורה. מתח ייחוס נוצר ממתח הכניסה ומועבר למגבר דיפרנציאלי. מתח המוצא מורגש על ידי מחלק מתח ומועבר שוב לסיכת הכניסה של מגבר הדיפרנציאל. בהתאם לשני הערכים הללו, הפלט ממתח הייחוס והפלט ממחלק המתח, המגבר מייצר פלט. פלט זה שולט בנגד המשתנה. לפיכך, כל ערך משני אלה יכול לשנות את תפוקת המגבר. כאן יש צורך בהתייחסות המתח כדי להיות יציבה כדי לחוש במדויק את האחר. כאשר מתח הייחוס יציב, וריאציה קטנה של מתח המוצא משקפת על כניסת המגבר הדיפרנציאלי דרך מחלק הנגד.לאחר מכן המגבר שולט בנגד המשתנה כדי לספק פלט יציב. מצד שני, התייחסות המתח אינה תלויה במתח הכניסה ומספקת התייחסות יציבה על פני מגבר הדיפרנציאל ההופך אותו חסין לשינויים חולפים וגם הופך אתמתח יציאה ללא תלות במתח הכניסה. הנגד המשתנה המוצג כאן יוחלף בדרך כלל ב- MOSFET יעיל או JFET במבנה האמיתי. טרנזיסטורים דו קוטביים אינם בשימוש ב- LDO בשל הדרישות הנוספות של ייצור זרם וחום המוביל ליעילות ירודה.

פרמטרים שיש לקחת בחשבון בעת ​​בחירת ה- LDO שלך

תכונות בסיסיות

מכיוון שהוא מכשיר חיוני להבטחת אספקת חשמל נכונה לעומס, מאפיין המפתח הראשון הוא ויסות העומס והתפוקה היציבה. ויסות עומס נכון חיוני במהלך שינויים הנוכחיים בעומס. כאשר העומס עולה או מוריד את צריכת הזרם שלו מתח המוצא מהווסת לא אמור להשתנות. התנודה של מתח המוצא נמדדת בטווח mV לכל אמפר זרם ומכונה דיוק. דיוק מתח המוצא של LDO נע בין 5mV למגוון 50mV, כמה אחוזי מתח המוצא.

תכונות בטיחות והגנה

LDO מציעה תכונות בטיחות בסיסיות על ידי הבטחת אספקת חשמל נכונה על פני הפלט. מאפייני הבטיחות מותאמים באמצעות מעגלי הגנה על פני קלט ופלט. מעגלי ההגנה הם הגנת תת מתח (UVLO), הגנת מתח יתר (OVLO), הגנת נחשולי מתח, הגנת מעגל קצר בפלט והגנה תרמית.

במצבים מסוימים, מתח הכניסה המסופק לווסת עשוי לרדת נמוך משמעותית או לעלות לערך גבוה. כתוצאה מכך מתח וזרם זרמים לא תקינים מה- LDO אשר יפגעו בעומס שלנו. אם מתח הכניסה על פני ה- LDO הוא מעבר לגבולות, הגנת ה- UVLO וה- OVLO מופעלת כדי להגן על ה- LDO והעומס. ניתן לקבוע את הגבול התחתון עבור UVLO ואת מגבלות מתח הכניסה המקסימליות באמצעות מחיצות מתח פשוטות.

מעגל הגנה מפני נחשולים מציע חסינות ל- LDO מפני ארעיות ומתח גבוהים או קוצים. זוהי גם תכונה נוספת המוצעת על ידי LDOs שונים. הגנת מעגל פלט היא סוג של הגנה מפני זרם יתר. אם העומס מתקצר, תכונת ההגנה על הקצר של LDO מנתקת את העומס מאספקת החשמל הקלט. הגנה תרמית פועלת כאשר ה- LDO מתחמם. במהלך פעולת חימום, מעגל ההגנה התרמית מונע מ- LDO לעבוד כדי למנוע נזק נוסף אליו.

תכונות נוספות

LDOs יכולים לכלול שני סיכות בקרת רמת לוגיקה נוספות כדי לתקשר עם קלט מיקרו-בקר. אפשר סיכה המכונה לעתים קרובות EN וזה סיכת קלט של ה- LDO. מיקרו-בקר פשוט יכול לשנות את מצב סיכת ה- EN של LDO כדי לאפשר או להשבית את תפוקת החשמל. זוהי תכונה שימושית כאשר יש להפעיל או לכבות עומסים למטרות יישום.

סיכה Power Good היא סיכת פלט מה- LDO. ניתן לחבר סיכה זו גם ליחידת מיקרו-בקר כדי לספק לוגיקה נמוכה או גבוהה בהתאם למצב ההספק. בהתבסס על מצב הסיכה החשמלית הטובה, יחידת המיקרו-בקר יכולה לקבל את המידע אודות מצב ההספק על פני ה- LDO.

מגבלות של LDO

למרות ש- LDO מציע תפוקה נכונה במתח נשירה נמוך, עדיין יש לה מגבלות מסוימות. המגבלה העיקרית של ה- LDO היא יעילות. נכון שה- LDO טוב יותר מהרגולטורים הליניאריים הסטנדרטיים מבחינת פיזור הספק ויעילות, אך עדיין מדובר בבחירה גרועה לפעולות הקשורות לסוללה ניידת בה היעילות היא הדאגה העיקרית. היעילות נעשית גרועה אפילו אם מתח הכניסה גבוה משמעותית ממתח היציאה. פיזור החום גדל כאשר ירידת המתח גבוהה יותר. עודף האנרגיה הפסולת אשר הופכת כחום ומצריכה גוף קירור, הביאה לשטח PCB מוגדל וכן עלות רכיב. לקבלת יעילות טובה יותר, מווסת מיתוג הוא עדיין הבחירה הטובה ביותר לעומת רגולטורים ליניאריים במיוחד LDO.

האם עלי להשתמש ב- LDO לעיצוב הבא שלי?

מכיוון ש LDOs מציעים מתח נשירה נמוך מאוד, כדאי לבחור ב- LDO רק כאשר מתח המוצא הרצוי קרוב מאוד למתח הכניסה הזמין. השאלות הבאות יכולות לעזור לך לקבוע אם עיצוב המעגלים שלך אכן זקוק ל- LDO

1. האם מתח המוצא הרצוי קרוב למתח הכניסה הזמין? אם כן, אז כמה? זה טוב להשתמש ב- LDO אם ההבדל בין מתח כניסה למתח יציאה הוא פחות מ -300 mV
2. האם מקבלים 50-60% יעילות ליישום הרצוי?
3. ספק כוח רעש נמוך הוא צורך?
4. אם העלות היא בעיה וספירת חלקים נמוכה ופשוטה יותר, יש צורך בפתרון לחסכון במקום.
5. האם יהיה יקר ומסורבל מדי להוסיף מעגל מיתוג?

אם ענית "כן" על כל השאלות שלעיל, LDO עשוי להיות בחירה טובה. אבל, מה יהיה המפרט של ה- LDO? ובכן, זה תלוי בפרמטרים שלהלן.

• מתח יציאה.
• מתח כניסה מינימלי ומקסימלי.
• זרם מוצא.
• חבילה של ה- LDO.
• העלות והזמינות.
• אפשרות הפעלה והשבתה נדרשת או לא.
• אפשרויות הגנה נוספות הנדרשות ליישום. כגון הגנת זרם יתר, UVLO ו- OVLO וכו '.

LDOs פופולריים בשוק

לכל יצרן IC כוח יחיד כמו טקסס אינסטרומנטס, טכנולוגיה לינארית וכו 'יש גם כמה פתרונות ל- LDO. לטקסס אינסטרומנטס מגוון רחב של LDOs בהתאם לצרכי העיצוב השונים, התרשים שלהלן מציג את אוסף ה- LDO העצום שלה עם מגוון רחב של זרם יציאה ומתח כניסה.

באופן דומה, לטכנולוגיה לינארית ממכשירי אנלוג יש גם כמה רגולטורים בעלי ירידה נמוכה בביצועים גבוהים.

LDO - עיצוב לדוגמא

בואו נבחן מקרה מעשי שבו LDO יהיה חובה. נניח שיש צורך בפתרון פשוט בעלות חיסכון במקום בעלות נמוכה לצורך המרת פלט סוללת 3.7V ליתיום למקור יציב של 3.3V 500mA עם מגבלת זרם קצר והגנה תרמית. יש לחבר את פתרון הכוח למיקרו-בקר כדי לאפשר או להשבית עומס כלשהו והיעילות יכולה להיות 50-60%. מכיוון שאנו זקוקים לפיתרון פשוט ובעלות נמוכה אנו יכולים לשלול את עיצובי הרגולטור המיתוג.

סוללת ליתיום יכולה לספק 4.2 וולט במצב טעינה מלא ו -3.2 וולט במצב ריק לחלוטין. לכן, ניתן לשלוט על ה- LDO כדי לנתק את העומס במצב מתח נמוך על ידי חישה של מתח הכניסה של ה- LDO על ידי יחידת המיקרו-בקר.

לסיכום אנו זקוקים למתח יציאה 3.3V, 500mA זרם, אפשרות פינים מאפשרת, ספירת חלקים נמוכה, סביב דרישות הנשירה של 300-400 mV, הגנת קיצור פלט יחד עם תכונת כיבוי תרמית, ליישום זה הבחירה האישית שלי ב- LDO היא MCP1825 - וסת מתח קבוע 3.3V באמצעות שבב מיקרו.

את רשימת התכונות המלאה ניתן לראות בתמונה למטה, הלקוחה מגליון הנתונים -

להלן תרשים המעגל של MCP1825 יחד עם הצמד. הסכימה מסופקת גם בגיליון הנתונים, ולכן פשוט על ידי חיבור של כמה רכיבים חיצוניים כמו נגד וקבל, אנו יכולים להשתמש ב- LDO שלנו בקלות כדי לווסת את המתח הנדרש בכפר מתח מינימלי.

הנחיות לתכנון LDO - PCB

לאחר שביטלתם את ה- LDO ובדקתם אותו כדי לעבוד על העיצוב שלכם, תוכלו להמשיך בעיצוב ה- PCB למעגל שלכם. להלן כמה טיפים שכדאי לזכור בעת תכנון PCB לרכיבי LDO.

1. אם משתמשים בחבילת SMD, חיוני לספק אזור נחושת תקין ב- PCB מכיוון ש- LDO מפזר את החימום.
2. עובי הנחושת הוא תורם מרכזי לפעולה ללא בעיות. עובי נחושת 2 עוז (70um) תהיה בחירה טובה.
3. C1 ו- C2 צריכים להיות קרובים ככל האפשר ל- MCP1825.
4. מישור הקרקע העבה נדרש לנושאים הקשורים לרעש.
5. השתמש ב- Vias לפיזור חום נכון ב- PCB דו צדדי.