- Regulator ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คืออะไร?
- ความแตกต่างระหว่าง LDO และ Regulators เชิงเส้น
- การทำงานของ LDO
- พารามิเตอร์ที่ต้องพิจารณาขณะเลือก LDO ของคุณ
- ข้อ จำกัด ของ LDO
- ฉันควรใช้ LDO สำหรับการออกแบบครั้งต่อไปหรือไม่?
- LDO ยอดนิยมในตลาด
- LDO - ตัวอย่างการออกแบบ
- LDO - แนวทางการออกแบบ PCB
ทุกวันนี้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีขนาดลดลงกว่าที่เคยเป็นมา สิ่งนี้ช่วยให้เราสามารถบรรจุคุณสมบัติต่างๆในอุปกรณ์พกพาขนาดกะทัดรัดเช่นนาฬิกาอัจฉริยะตัวติดตามการออกกำลังกายและอุปกรณ์สวมใส่อื่น ๆ ได้นอกจากนี้ยังช่วยให้เราสามารถปรับใช้อุปกรณ์ IoT ระยะไกลสำหรับการตรวจสอบวัวการติดตามทรัพย์สิน ฯลฯ สิ่งหนึ่งที่พบบ่อยในบรรดาอุปกรณ์พกพาเหล่านี้ คือใช้แบตเตอรี่ และเมื่ออุปกรณ์ใช้แบตเตอรี่เป็นสิ่งสำคัญสำหรับวิศวกรผู้ออกแบบในการเลือกส่วนประกอบที่ประหยัดทุกมิลลิโวลต์ในการออกแบบเพื่อให้อุปกรณ์ทำงานได้นานขึ้นด้วยน้ำจากแบตเตอรี่ที่มีอยู่ เมื่อองค์ประกอบดังกล่าวเป็นLow-กลางคัน Voltage Regulator (LDO) ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ LDO และวิธีเลือกอันที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบวงจรของคุณ
Regulator ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คืออะไร?
เครื่องควบคุมคืออุปกรณ์หรือกลไกที่ออกแบบมาอย่างดีซึ่งควบคุมบางสิ่งบางอย่างในที่นี้สิ่งที่มักจะหมายถึงแรงดันไฟฟ้าของกระแสไฟฟ้า มีสองประเภทของหน่วยงานกำกับดูแลส่วนใหญ่ที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์คนแรกคือควบคุมการเปลี่ยนและคนที่สองคือการควบคุมเชิงเส้นทั้งสองมีสถาปัตยกรรมการทำงานและระบบย่อยที่แตกต่างกัน แต่เราจะไม่พูดถึงพวกเขาในบทความนี้ แต่ถ้าพูดง่ายๆก็คือถ้าตัวควบคุมกำลังควบคุมกระแสไฟขาออกจะเรียกว่าตัวควบคุมกระแส ในแง่เดียวกันตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะใช้ในการควบคุมแรงดันไฟฟ้า
ความแตกต่างระหว่าง LDO และ Regulators เชิงเส้น
ตัวควบคุมเชิงเส้นเป็นอุปกรณ์ทั่วไปที่ใช้สำหรับการควบคุมแหล่งจ่ายไฟและพวกเราส่วนใหญ่จะคุ้นเคยกับอุปกรณ์เช่น 7805, LM317 แต่ข้อเสียของการใช้ Linear Regulator ในแอพพลิเคชั่นที่ใช้แบตเตอรี่คือแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของตัวควบคุมเชิงเส้นจำเป็นต้องสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ควบคุมเสมอ ความหมายที่แตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตและเอาท์พุทแรงดันไฟฟ้าสูงดังนั้นตัวควบคุมเชิงเส้นมาตรฐานจึงมีข้อ จำกัด บางประการเมื่อต้องการให้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่ควบคุมเป็นค่าใกล้เคียงของแรงดันไฟฟ้าขาเข้า
การทำงานของ LDO
LDO เป็นส่วนหนึ่งของราชวงศ์ควบคุมเชิงเส้น แต่แตกต่างจากตัวควบคุมเชิงเส้นปกติใน LDO ความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและแรงดันขาออกจะน้อยกว่า ความแตกต่างนี้เรียกว่าเป็นแรงดันตกกลาง เนื่องจาก LDO มีแรงดันตกกลางต่ำมากจึงเรียกว่า Low dropout voltage regulators คุณสามารถนึกถึง LDO ของตัวต้านทานเชิงเส้นที่วางเรียงเป็นชุดพร้อมกับโหลดเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ในระดับที่ต้องการ ความก้าวหน้าของการมี LDO คือแรงดันตกคร่อมจะน้อยกว่าตัวต้านทานมาก
เนื่องจาก LDO มีแรงดันตกระหว่างอินพุตและเอาต์พุตต่ำจึงสามารถทำงานได้แม้ว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะค่อนข้างใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าขาออก แรงดันตกคร่อม LDO จะอยู่ระหว่าง 300mV ถึง 1.5V สูงสุด ใน LDO บางตัวความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าจะน้อยกว่า 300mV ด้วยซ้ำ
ภาพด้านบนแสดงโครงสร้าง LDO อย่างง่ายที่ออกแบบระบบวงปิด แรงดันอ้างอิงถูกสร้างขึ้นจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและป้อนไปยังเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน แรงดันไฟฟ้าขาออกจะถูกตรวจจับโดยตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าและป้อนอีกครั้งที่ขาอินพุตของเครื่องขยายเสียงที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับค่าสองค่านี้เอาต์พุตจากแรงดันอ้างอิงและเอาต์พุตจากตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าแอมพลิฟายเออร์จะสร้างเอาต์พุต เอาต์พุตนี้ควบคุมตัวต้านทานตัวแปร ดังนั้นค่าใด ๆ ของสองสิ่งนี้สามารถเปลี่ยนแปลงเอาต์พุตของเครื่องขยายเสียงได้ ที่นี่จำเป็นต้องมีการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าเพื่อให้มีเสถียรภาพเพื่อให้รับรู้ได้อย่างถูกต้อง เมื่อแรงดันอ้างอิงคงที่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของแรงดันขาออกจะสะท้อนไปที่อินพุตของแอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลผ่านตัวแบ่งตัวต้านทานจากนั้นแอมพลิฟายเออร์จะควบคุมตัวต้านทานตัวแปรเพื่อให้เอาต์พุตมีเสถียรภาพ ในทางกลับกันการอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าไม่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและให้การอ้างอิงที่มั่นคงทั่วทั้งแอมพลิฟายเออร์ที่แตกต่างกันทำให้ภูมิคุ้มกันไม่ต่อการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวและยังทำให้อิสระแรงดันเอาท์พุทของแรงดันไฟฟ้าที่ป้อนเข้าโดยปกติตัวต้านทานตัวแปรที่แสดงที่นี่จะถูกแทนที่ด้วย MOSFET หรือ JFET ที่มีประสิทธิภาพในโครงสร้างแอคชูออล ไม่ใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์ใน LDO เนื่องจากข้อกำหนดพิเศษของการสร้างกระแสและความร้อนซึ่งนำไปสู่ประสิทธิภาพที่ไม่ดี
พารามิเตอร์ที่ต้องพิจารณาขณะเลือก LDO ของคุณ
คุณสมบัติพื้นฐาน
เนื่องจากเป็นอุปกรณ์ที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการส่งพลังงานไปยังโหลดอย่างเหมาะสมคุณสมบัติหลักประการแรกคือการควบคุมโหลดและเอาต์พุตที่เสถียร การควบคุมโหลดที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญในระหว่างการเปลี่ยนแปลงกระแสโหลด เมื่อโหลดเพิ่มขึ้นหรือลดลงการใช้กระแสไฟฟ้าแรงดันขาออกจากตัวควบคุมไม่ควรผันผวน ความผันผวนของแรงดันขาออกวัดได้ในช่วง mV ต่อแอมแปร์ของกระแสและเรียกว่าเป็นความแม่นยำ ความถูกต้องของแรงดันเอาท์พุทของ LDO ช่วงจาก 5mV ช่วง 50mV เป็นร้อยละกี่ของแรงดันเอาท์พุท
คุณสมบัติด้านความปลอดภัยและการป้องกัน
LDO นำเสนอคุณลักษณะด้านความปลอดภัยขั้นพื้นฐานโดยทำให้มั่นใจได้ว่ามีการจ่ายพลังงานที่เหมาะสมตลอดทั้งเอาต์พุต คุณสมบัติด้านความปลอดภัยสามารถใช้งานได้โดยใช้วงจรป้องกันทั้งอินพุตและเอาต์พุต วงจรป้องกัน ได้แก่ Under-voltage Protection (UVLO), Over-voltage Protection (OVLO), Surge protection, output short-circuit protection และ thermal protection
ในบางสถานการณ์แรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่ให้กับเครื่องควบคุมอาจลดลงต่ำมากหรือเพิ่มขึ้นเป็นค่าสูง ส่งผลให้เอาต์พุตแรงดันและกระแสที่ไม่เหมาะสมจาก LDO ซึ่งจะทำให้โหลดของเราเสียหาย หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าทั่ว LDO เกินขีด จำกัด การป้องกัน UVLO และ OVLO จะถูกกระตุ้นเพื่อป้องกัน LDO และโหลด ขีด จำกัด ล่างสำหรับ UVLO และขีด จำกัด แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดสามารถกำหนดได้โดยใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าอย่างง่าย
วงจรป้องกันไฟกระชากมีภูมิคุ้มกันให้กับ LDO จากชั่วคราวและไฟกระชากหรือแรงดันสูง นอกจากนี้ยังเป็นคุณสมบัติเพิ่มเติมที่นำเสนอโดย LDO ต่างๆ การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรของเอาต์พุตเป็นรูปแบบหนึ่งของการป้องกันกระแสเกิน หากโหลดลัดวงจรคุณลักษณะการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรของ LDO จะตัดการเชื่อมต่อโหลดจากแหล่งจ่ายไฟเข้า การป้องกันความร้อนทำงานเมื่อ LDO ได้รับความร้อน ในระหว่างการทำงานให้ร้อนขึ้นวงจรป้องกันความร้อนจะหยุด LDO ไม่ให้ทำงานเพื่อป้องกันความเสียหายเพิ่มเติม
คุณลักษณะเพิ่มเติม
LDO สามารถมีพินควบคุมระดับลอจิกเพิ่มเติมสองพินเพื่อสื่อสารกับอินพุตไมโครคอนโทรลเลอร์ เปิดใช้งานพินที่มักเรียกว่า EN และนี่คือพินอินพุตของ LDO ไมโครคอนโทรลเลอร์อย่างง่ายสามารถเปลี่ยนสถานะของขา EN ของ LDO เพื่อเปิดหรือปิดการใช้งานเอาต์พุตกำลัง นี่เป็นคุณสมบัติที่มีประโยชน์เมื่อจำเป็นต้องเปิดหรือปิดโหลดเพื่อวัตถุประสงค์ในการใช้งาน
พิน Power Goodเป็นพินเอาต์พุตจาก LDO พินนี้ยังสามารถเชื่อมต่อกับหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อให้ลอจิกต่ำหรือสูงขึ้นอยู่กับสภาพพลังงาน ขึ้นอยู่กับสถานะของพินกำลังไฟฟ้าที่ดีหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถรับข้อมูลเกี่ยวกับสถานะพลังงานทั่วทั้ง LDO
ข้อ จำกัด ของ LDO
แม้ว่า LDO จะให้เอาต์พุตที่เหมาะสมที่แรงดันตกกลางต่ำ แต่ก็ยังมีข้อ จำกัด บางประการ ข้อ จำกัด ที่สำคัญของ LDO เป็นอย่างมีประสิทธิภาพเป็นความจริงที่ว่า LDO นั้นดีกว่าตัวควบคุมเชิงเส้นมาตรฐานในแง่ของการกระจายพลังงานและประสิทธิภาพ แต่ก็ยังเป็นตัวเลือกที่ไม่ดีสำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่แบบพกพาซึ่งประสิทธิภาพเป็นประเด็นหลัก ประสิทธิภาพจะแย่ลงหากแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกอย่างมีนัยสำคัญ การกระจายความร้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าลดลงสูงขึ้น พลังงานขยะส่วนเกินซึ่งเปลี่ยนเป็นความร้อนและต้องใช้ฮีทซิงค์ส่งผลให้พื้นที่ PCB เพิ่มขึ้นรวมถึงต้นทุนส่วนประกอบ เพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้นตัวควบคุมการสลับยังคงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับตัวควบคุมเชิงเส้นโดยเฉพาะ LDO
ฉันควรใช้ LDO สำหรับการออกแบบครั้งต่อไปหรือไม่?
เนื่องจาก LDO มีแรงดันตกกลางที่ต่ำมากจึงเป็นการดีที่จะเลือก LDO ก็ต่อเมื่อแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต้องการใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่มีอยู่มาก คำถามด้านล่างนี้สามารถช่วยคุณพิจารณาได้ว่าการออกแบบวงจรของคุณต้องการ LDO จริงหรือไม่
- แรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต้องการใกล้เคียงกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่มีอยู่หรือไม่? ถ้ามีแล้วเท่าไหร่? ควรใช้ LDO หากความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและแรงดันขาออกน้อยกว่า 300mV
- ยอมรับประสิทธิภาพ 50-60% สำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการหรือไม่
- ต้องการแหล่งจ่ายไฟเสียงรบกวนต่ำหรือไม่?
- หากต้นทุนเป็นปัญหาและจำนวนชิ้นส่วนที่เรียบง่ายจำเป็นต้องมีโซลูชันที่ประหยัดพื้นที่
- การเพิ่มวงจรสวิตชิ่งจะแพงและใหญ่เกินไปหรือไม่?
หากคุณตอบว่า "ใช่" สำหรับคำถามข้างต้นทั้งหมด LDO อาจเป็นทางเลือกที่ดี แต่คุณสมบัติของ LDO จะเป็นอย่างไร? มันขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์ด้านล่าง
- แรงดันขาออก.
- แรงดันไฟฟ้าอินพุตต่ำสุดและสูงสุด
- กระแสไฟขาออก
- แพ็คเกจของ LDO
- ค่าใช้จ่ายและความพร้อมใช้งาน
- จำเป็นต้องมีตัวเลือกเปิดใช้งานและปิดใช้งานหรือไม่
- ตัวเลือกการป้องกันเพิ่มเติมที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชัน เช่นการป้องกันกระแสเกิน UVLO และ OVLO เป็นต้น
LDO ยอดนิยมในตลาด
ผู้ผลิต IC พลังงานรายเดียวเช่น Texas Instruments, Linear Technology เป็นต้นนอกจากนี้ยังมีโซลูชันบางอย่างสำหรับ LDO Texas Instrumentsมี LDO ที่หลากหลายขึ้นอยู่กับความต้องการในการออกแบบที่หลากหลายแผนภูมิด้านล่างแสดงคอลเลคชัน LDO จำนวนมากที่มีกระแสเอาต์พุตและแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่หลากหลาย
ในทำนองเดียวกัน เทคโนโลยี Linearจากอุปกรณ์อนาล็อกยังมีตัวควบคุมการตกกลางต่ำที่มีประสิทธิภาพสูง
LDO - ตัวอย่างการออกแบบ
ลองพิจารณากรณีที่ใช้ได้จริงซึ่ง LDO จะเป็นข้อบังคับ สมมติว่าจำเป็นต้องใช้โซลูชันต้นทุนต่ำเรียบง่ายประหยัดพื้นที่สำหรับการแปลงเอาต์พุตแบตเตอรี่ลิเธียม 3.7V เป็นแหล่งจ่าย3.3V 500mA ที่เสถียรพร้อมขีด จำกัด กระแสไฟฟ้าสั้นและการป้องกันความร้อน โซลูชันพลังงานจำเป็นต้องเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อเปิดหรือปิดการใช้งานโหลดบางส่วนและประสิทธิภาพอาจอยู่ที่ 50-60% เนื่องจากเราต้องการโซลูชันที่เรียบง่ายและต้นทุนต่ำเราจึงสามารถแยกแยะการออกแบบตัวควบคุมการสลับได้
แบตเตอรี่ลิเธียมสามารถให้ 4.2V ในระหว่างที่ชาร์จเต็มและ 3.2V ในสภาพที่ว่างเปล่าทั้งหมด ดังนั้นจึงสามารถควบคุม LDO เพื่อตัดการเชื่อมต่อโหลดที่สถานการณ์แรงดันไฟฟ้าต่ำโดยการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของ LDO โดยหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์
ในการสรุปเราต้องการแรงดันเอาต์พุต 3.3V, กระแสไฟฟ้า 500mA, เปิดใช้งานตัวเลือกพิน, จำนวนชิ้นส่วนต่ำ, ข้อกำหนดการออกกลางคันประมาณ 300-400 mV, การป้องกันการลัดวงจรของเอาต์พุตพร้อมกับคุณสมบัติการปิดเครื่องด้วยความร้อนสำหรับแอปพลิเคชันนี้ทางเลือกส่วนตัวของฉันสำหรับ LDO คือMCP1825 - ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าคงที่ 3.3V โดยไมโครชิป
รายการคุณลักษณะทั้งหมดสามารถดูได้จากภาพด้านล่างซึ่งนำมาจากแผ่นข้อมูล -
ด้านล่างนี้เป็นแผนภาพวงจรของ MCP1825พร้อมกับขาออก แผนผังยังมีอยู่ในแผ่นข้อมูลด้วยดังนั้นเพียงแค่เชื่อมต่อส่วนประกอบภายนอกเพียงไม่กี่ชิ้นเช่นตัวต้านทานและตัวเก็บประจุเราสามารถใช้ LDO ของเราเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการได้อย่างง่ายดายด้วย dorp แรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำ
LDO - แนวทางการออกแบบ PCB
เมื่อคุณเลิกใช้ LDO และทดสอบให้ใช้งานได้กับการออกแบบของคุณแล้วคุณสามารถดำเนินการออกแบบ PCB สำหรับวงจรของคุณได้ ต่อไปนี้เป็นเคล็ดลับบางประการที่คุณควรจำไว้ในขณะออกแบบ PCB สำหรับส่วนประกอบ LDO
- ถ้าแพคเกจ SMD ที่ใช้ก็เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้พื้นที่ทองแดงที่เหมาะสมในซีบีเอสตั้งแต่ LDOs กระจายความร้อน
- ความหนาของทองแดงเป็นปัจจัยหลักในการทำงานที่ปราศจากปัญหา ความหนาทองแดง 2 ออนซ์ (70um) จะเป็นทางเลือกที่ดี
- C1 และ C2 ต้องใกล้เคียงกับ MCP1825 มากที่สุด
- ระนาบพื้นหนาเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับปัญหาเสียงรบกวนที่เกี่ยวข้องกับ
- ใช้ Vias เพื่อการกระจายความร้อนที่เหมาะสมใน PCB สองด้าน