Comprensió baixa

Avui en dia, els dispositius electrònics han reduït la mida que mai. Això ens permet empaquetar tons de funcions en dispositius portàtils compactes com rellotges intel·ligents, rastrejadors de fitness i altres dispositius portàtils, també ens ajuda a desplegar dispositius IoT remots per al control de bestiar, el seguiment d’actius, etc. Una cosa habitual entre tots aquests dispositius portàtils és que funcionen amb bateria. I quan un dispositiu funciona amb bateria, és important que els enginyers de disseny seleccionin components que conservin cada mili-volt en el seu disseny per fer funcionar el dispositiu durant més temps amb el suc de la bateria disponible. Una vegada que aquest component és el regulador de baix voltatge (LDO). En aquest article aprendrem més sobre LDO i com seleccionar-ne el més adequat per al disseny del vostre circuit.

Què és un regulador en electrònica?

Un regulador és un dispositiu o un mecanisme ben dissenyat que regula alguna cosa, aquí alguna cosa normalment es refereix a la tensió de corrent. Hi ha dos tipus de reguladors que s’utilitzen principalment en electrònica, el primer és el regulador de commutació i el segon és el regulador lineal. Tots dos tenen una arquitectura i un subsistema de treball diferents, però no en parlarem en aquest article. Però, per dir-ho d’una manera senzilla, si un regulador controla el corrent de sortida s’anomena regulador de corrent. Pel mateix aspecte, els reguladors de tensió s’utilitzen per controlar la tensió.

Diferència entre LDO i reguladors lineals

Els reguladors lineals són els dispositius més comuns que s’utilitzen per a la regulació de la font d’alimentació i la majoria de nosaltres estarem familiaritzats amb dispositius com el 7805 i el LM317. Però, l’inconvenient de l’ús d’un regulador lineal en aplicacions amb bateria és que aquí sempre cal que el voltatge d’entrada d’un regulador lineal sigui superior al voltatge de sortida regulat. És a dir, les diferències entre les tensions d’entrada i la tensió de sortida són elevades. Per tant, els reguladors lineals estàndard tenen algunes limitacions quan es requereix que el voltatge de sortida regulat sigui un valor proper de la tensió d’entrada.

Funcionament d'un LDO

LDO és una part de la dinastia de reguladors lineals. Però, a diferència dels reguladors lineals normals, en un LDO la diferència entre la tensió d'entrada i la tensió de sortida és menor. Aquesta diferència s’anomena tensió d’abandonament. Atès que el LDO té un voltatge d’abandonament molt baix, s’anomena regulador de voltatge d’abandonament baix. Podeu pensar en un LDO i una resistència lineal pal·liat en sèrie amb la càrrega per reduir la tensió al nivell requerit. L’avantatge de tenir un LDO és que la caiguda de tensió a través d’ell serà molt inferior a una resistència.

Atès que el LDO ofereix un voltatge baix d’abandonament entre entrada i sortida, pot funcionar fins i tot si el voltatge d’entrada és relativament proper al voltatge de sortida. La caiguda de tensió en un LDO oscil·larà entre 300mV i 1,5V com a màxim. En alguns LDO, les diferències de tensió són fins i tot inferiors a 300mV.

La imatge superior mostra una construcció LDO senzilla on es dissenya un sistema de llaç tancat. Es crea una tensió de referència a partir de la tensió d’entrada i s’alimenta a un amplificador diferencial. El voltatge de sortida és detectat per un divisor de voltatge i alimentat de nou al pin d'entrada de l'amplificador diferencial. Depenent d’aquests dos valors, la sortida del voltatge de referència i la sortida del divisor de voltatge, l’amplificador produeix la sortida. Aquesta sortida controla la resistència variable. Per tant, qualsevol valor d’aquests dos podria alterar la sortida de l’amplificador. Aquí la referència de tensió és necessària per ser estable per detectar amb precisió l’altra. Quan la tensió de referència és estable, una petita variació de la tensió de sortida es reflecteix en l'entrada de l'amplificador diferencial a través del divisor de resistències.A continuació, l'amplificador controla la resistència variable per proporcionar una sortida estable. D'altra banda, la referència de tensió no depèn de la tensió d'entrada i proporciona una referència estable a través de l'amplificador diferencial, cosa que la fa immune als canvis transitoris i també fa que latensió de sortida independent de la tensió d’entrada. La resistència variable que es mostra aquí normalment serà substituïda per un MOSFET o JFET eficient en la construcció de l’actuació. Els transistors bipolars no s’utilitzen en LDOs a causa dels requisits addicionals de generació de corrent i calor que condueixen a una eficiència deficient.

Paràmetres a tenir en compte en seleccionar el LDO

Funcions bàsiques

Com que és un dispositiu essencial per assegurar un correcte subministrament d'energia a la càrrega, la primera característica clau és la regulació de la càrrega i la sortida estable. Una regulació adequada de la càrrega és essencial durant els canvis de corrent de càrrega. Quan la càrrega augmenta o disminueix és el consum de corrent, la tensió de sortida del regulador no hauria de fluctuar. La fluctuació del voltatge de sortida es mesura en un rang de mV per amper de corrent i es denomina precisió. La precisió de la tensió de sortida d’un LDO oscil·la entre els 5mV i els 50mV, uns quants percentatges de la tensió de sortida.

Funcions de seguretat i protecció

LDO ofereix funcions bàsiques de seguretat, ja que garanteix una alimentació adequada a tota la sortida. Les característiques de seguretat s’adapten mitjançant circuits de protecció entre entrada i sortida. Els circuits de protecció són Protecció contra tensió (UVLO), Protecció contra sobretensió (OVLO), Protecció contra sobretensions, Protecció contra curtcircuit de sortida i Protecció tèrmica.

En algunes situacions, la tensió d'entrada proporcionada al regulador pot baixar significativament o augmentar fins a un valor elevat. Això es tradueix en una tensió i una sortida de corrent inadequades del LDO que danyaran la nostra càrrega. Si la tensió d'entrada a través de l'LDO supera els límits, la protecció UVLO i OVLO s'activa per protegir l'LDO i la càrrega. El límit inferior per a UVLO i els límits màxims de tensió d’entrada es poden establir mitjançant divisors de tensió simples.

El circuit de protecció contra sobretensions ofereix immunitats al LDO contra transitoris i pujades o pujades d’alta tensió. També és una característica addicional que ofereixen diferents LDO. La protecció contra el curtcircuit de sortida és una forma de protecció contra sobrecorrent. Si la càrrega queda curtcircuitada, la funció de protecció contra el curtcircuit d'un LDO desconnecta la càrrega de la font d'alimentació d'entrada. La protecció tèrmica funciona quan s’escalfa el LDO. Durant l'operació d'escalfament, el circuit de protecció tèrmica impedeix que l'LDO funcioni per evitar-ne més danys.

Característiques adicionals

Els LDO poden tenir dos pins de control de nivell lògic addicionals per comunicar-se amb una entrada de microcontrolador. Habiliteu el pin sovint anomenat EN i aquest és un pin d'entrada del LDO. Un simple microcontrolador pot canviar l’estat del pin EN d’un LDO per habilitar o desactivar la sortida de potència. Aquesta és una característica útil quan cal activar o desactivar les càrregues per a aplicacions.

El pin Power Good és un pin de sortida del LDO. Aquest pin també es pot connectar amb una unitat de microcontrolador per proporcionar una lògica baixa o alta segons les condicions de potència. Basant-se en el bon pin de l'estat de potència, la unitat de microcontrolador pot obtenir informació sobre l'estat de la potència a través del LDO.

Limitacions de LDO

Tot i que LDO ofereix una sortida adequada a baixa tensió d’abandonament, encara té algunes limitacions. La principal limitació del LDO és l' eficiència. És cert que el LDO és millor que els reguladors lineals estàndard en termes de dissipació i eficiència de potència, però continua sent una mala elecció per a les operacions portàtils relacionades amb la bateria, on l'eficiència és la principal preocupació. L’eficiència es fa encara pobra si el voltatge d’entrada és significativament superior al voltatge de sortida. La dissipació de calor augmenta quan la caiguda de tensió és més alta. L’excés d’energia residual que es transforma en calor i requereix un dissipador de calor, va provocar un augment de la superfície del PCB, així com un cost per components. Per obtenir una millor eficiència, els reguladors de commutació segueixen sent la millor opció sobre els reguladors lineals, especialment els LDO.

He d’utilitzar LDO per al meu proper disseny?

Com que els LDO ofereixen un voltatge d’abandonament molt baix, és bo seleccionar un LDO només quan el voltatge de sortida desitjat sigui molt proper al voltatge d’entrada disponible. A continuació, les preguntes us poden ajudar a determinar si el disseny del circuit necessita realment un LDO

El voltatge de sortida desitjat és proper al voltatge d’entrada disponible? Si és així, quant? És bo utilitzar LDO si la diferència entre el voltatge d’entrada i el voltatge de sortida és inferior a 300 mV
S’accepta un 50-60% d’eficiència per a l’aplicació desitjada?
És necessària una font d'alimentació de baix nivell de soroll?
Si el cost és un problema i un recompte de parts simple i baix, cal la solució d’estalvi d’espai.
Serà massa car i voluminós afegir un circuit de commutació?

Si heu respost "SÍ" per a tota la pregunta anterior, LDO pot ser una bona opció. Però, quina serà l’especificació del LDO? Bé, depèn dels paràmetres següents.

Voltatge de sortida.
Voltatge d'entrada mínim i màxim.
Corrent de sortida.
Paquet dels LDO.
El cost i la disponibilitat.
L'opció Habilita i desactiva és obligatòria o no.
Opcions de protecció addicionals necessàries per a l'aplicació. Com ara Protecció contra sobrecorrent, UVLO i OVLO, etc.

LDO populars al mercat

Tots els fabricants de circuits integrats de potència com Texas Instruments, Linear Technology, etc. també tenen algunes solucions per a LDO. Texas Instruments té una àmplia gamma de LDO en funció de les diverses necessitats de disseny, el gràfic següent mostra la seva enorme col·lecció de LDO amb una àmplia gamma de corrent de sortida i voltatge d’entrada.

De la mateixa manera, la tecnologia lineal de dispositius analògics també té alguns reguladors de baix nivell d’alt rendiment.

LDO - Exemple de disseny

Considerem un cas pràctic en què LDO serà obligatori. Suposem que es necessita una solució d’estalvi d’espai senzilla i de baix cost per convertir la sortida de la bateria de liti de 3,7 V a una font estable de 3,3 V 500 mA amb un límit de corrent curt i protecció tèrmica. La solució d’alimentació s’ha de connectar amb un microcontrolador per habilitar o desactivar una mica de càrrega i l’eficiència pot ser del 50-60%. Com que necessitem una solució senzilla i de baix cost, podem descartar els dissenys de reguladors de commutació.

Una bateria de liti pot proporcionar 4,2 V en estat de càrrega completa i 3,2 V en estat completament buit. Per tant, el LDO es pot controlar per desconnectar la càrrega en situació de baixa tensió detectant la tensió d'entrada del LDO per la unitat de microcontrolador.

Per resumir, necessitem tensió de sortida de 3,3 V, 500 mA de corrent, opció Habilita pin, recompte baix de peces, requisits d’abandonament d’uns 300-400 mV, protecció contra el curtcircuit de sortida juntament amb funció d’aturada tèrmica, per a aquesta aplicació la meva elecció personal de LDO és MCP1825 - Regulador de voltatge fix de 3,3V mitjançant microxip.

La llista completa de funcions es pot veure a la imatge següent, extreta del full de dades -

A continuació es mostra el diagrama de circuits de MCP1825 juntament amb el pin-out. L'esquema també es proporciona a la fitxa tècnica, per tant, simplement connectant pocs components externs com la resistència i el condensador, podem utilitzar fàcilment el nostre LDO per regular la tensió necessària amb un voltatge mínim dorp.

Pautes de disseny LDO-PCB

Un cop hagueu eliminat el LDO i provat que funcioni per al vostre disseny, podeu procedir al disseny del PCB per al vostre circuit. A continuació es detallen els pocs consells que heu de recordar durant el disseny d’un PCB per a components LDO.

Si s’utilitza un paquet SMD, és essencial proporcionar una àrea de coure adequada als PCB ja que els LDO dissipen els escalfaments.
El gruix del coure és un factor important per a una operació sense problemes. El gruix de coure de 2 oz (70um) serà una bona opció.
C1 i C2 han d’estar el més a prop possible de l’MCP1825.
El pla de terra gruixut és necessari per a problemes relacionats amb el soroll.
Utilitzeu Vias per a una correcta dissipació de calor en PCB de doble cara.