Niedrig verstehen

Heute sind elektronische Geräte kleiner als je zuvor. Dies ermöglicht es uns, eine Vielzahl von Funktionen in kompakten tragbaren Geräten wie Smartwatches, Fitness-Trackern und anderen tragbaren Geräten zu integrieren. Außerdem können wir Remote-IoT-Geräte für die Überwachung von Rindern, die Verfolgung von Vermögenswerten usw. bereitstellen. Eine gemeinsame Sache bei all diesen tragbaren Geräten ist, dass sie batteriebetrieben sind. Und wenn ein Gerät batteriebetrieben ist, ist es für Konstrukteure wichtig, Komponenten auszuwählen, die jedes Millivolt in ihrem Design einsparen, damit das Gerät mit dem verfügbaren Batteriesaft länger betrieben werden kann. Sobald eine solche Komponente ist der Low-Dropout Voltage Regulator (LDO). In diesem Artikel erfahren Sie mehr über LDO und wie Sie das richtige für Ihr Schaltungsdesign auswählen.

Was ist ein Regler in der Elektronik?

Ein Regler ist ein Gerät oder ein gut konzipierter Mechanismus, der etwas regelt. Hier bezieht sich etwas normalerweise auf die Stromspannung. Es gibt zwei Arten von Reglern, die hauptsächlich in der Elektronik verwendet werden, der erste ist ein Schaltregler und der zweite ist der Linearregler. Beide haben eine unterschiedliche Arbeitsarchitektur und ein anderes Subsystem, aber wir werden sie in diesem Artikel nicht diskutieren. Um es einfach auszudrücken: Wenn ein Regler den Ausgangsstrom steuert, spricht man von einem Stromregler. Aus dem gleichen Grund werden Spannungsregler zur Steuerung der Spannung verwendet.

Unterschied zwischen LDO- und Linearreglern

Linearregler sind die am häufigsten verwendeten Geräte zur Regelung der Stromversorgung, und die meisten von uns sind mit Geräten wie 7805, LM317 vertraut. Der Nachteil der Verwendung eines Linearreglers in batteriebetriebenen Anwendungen besteht jedoch darin, dass hier die Eingangsspannung eines Linearreglers immer höher sein muss als die geregelte Ausgangsspannung. Das heißt, die Unterschiede zwischen den Eingangsspannungen und der Ausgangsspannung sind hoch. Daher haben Standard-Linearregler einige Einschränkungen, wenn die geregelte Ausgangsspannung ein enger Wert der Eingangsspannung sein muss.

Arbeiten eines LDO

LDO ist Teil der linearen Regler-Dynastie. Im Gegensatz zu normalen Linearreglern ist bei einem LDO die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung geringer. Diese Differenz wird als Ausfallspannung bezeichnet. Da das LDO eine sehr niedrige Ausfallspannung aufweist, wird es als Spannungsregler mit niedriger Ausfallrate bezeichnet. Sie können sich einen LDO als einen linearen Widerstand vorstellen, der in Reihe mit der Last geschaltet ist, um die Spannung auf das erforderliche Niveau zu reduzieren. Der Vorteil eines LDO besteht darin, dass der Spannungsabfall über ihm weitaus geringer ist als bei einem Widerstand.

Da der LDO eine niedrige Ausfallspannung zwischen Eingang und Ausgang bietet, kann er auch dann funktionieren, wenn die Eingangsspannung relativ nahe an der Ausgangsspannung liegt. Der Spannungsabfall an einem LDO liegt zwischen 300 mV und maximal 1,5 V. In einigen LDOs betragen die Spannungsunterschiede sogar weniger als 300 mV.

Das obige Bild zeigt eine einfache LDO-Konstruktion, bei der ein System mit geschlossenem Regelkreis entworfen wurde. Aus der Eingangsspannung wird eine Referenzspannung erzeugt und einem Differenzverstärker zugeführt. Die Ausgangsspannung wird von einem Spannungsteiler erfasst und erneut dem Eingangspin des Differenzverstärkers zugeführt. Abhängig von diesen beiden Werten, dem Ausgang der Referenzspannung und dem Ausgang des Spannungsteilers, erzeugt der Verstärker einen Ausgang. Dieser Ausgang steuert den variablen Widerstand. Daher kann jeder Wert dieser beiden den Ausgang des Verstärkers verändern. Hier muss die Spannungsreferenz stabil sein, um die andere genau zu erfassen. Wenn die Referenzspannung stabil ist, wirkt sich eine kleine Änderung der Ausgangsspannung auf den Eingang des Differenzverstärkers über den Widerstandsteiler aus.Der Verstärker steuert dann den variablen Widerstand, um einen stabilen Ausgang bereitzustellen. Andererseits ist die Spannungsreferenz nicht von der Eingangsspannung abhängig und liefert eine stabile Referenz über den Differenzverstärker, wodurch er immun gegen transiente Änderungen ist und auch dieAusgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung. Der hier gezeigte variable Widerstand wird normalerweise durch einen effizienten MOSFET oder JFET in der tatsächlichen Konstruktion ersetzt. Bipolartransistoren werden in LDOs aufgrund der zusätzlichen Anforderungen an die Strom- und Wärmeerzeugung, die zu einem schlechten Wirkungsgrad führen, nicht verwendet.

Bei der Auswahl Ihres LDO zu berücksichtigende Parameter

Grundfunktionen

Da es ein wesentliches Gerät ist, um eine ordnungsgemäße Stromversorgung der Last sicherzustellen, ist das erste Hauptmerkmal die Lastregelung und die stabile Leistung. Bei Laststromänderungen ist eine ordnungsgemäße Lastregelung unerlässlich. Wenn die Last ihren Stromverbrauch erhöht oder verringert, sollte die Ausgangsspannung des Reglers nicht schwanken. Die Schwankung der Ausgangsspannung wird im mV-Bereich pro Ampere Strom gemessen und als Genauigkeit bezeichnet. Die Ausgangsspannungsgenauigkeit eines LDO reicht von 5 mV bis 50 mV, einige Prozent der Ausgangsspannung.

Sicherheits- und Schutzfunktionen

LDO bietet grundlegende Sicherheitsfunktionen, indem eine ordnungsgemäße Stromversorgung über den Ausgang sichergestellt wird. Die Sicherheitsmerkmale werden mithilfe von Schutzschaltungen zwischen Ein- und Ausgang berücksichtigt. Die Schutzschaltungen sind Unterspannungsschutz (UVLO), Überspannungsschutz (OVLO), Überspannungsschutz, Ausgangskurzschlussschutz und Wärmeschutz.

In einigen Situationen kann die an den Regler gelieferte Eingangsspannung erheblich abfallen oder auf einen hohen Wert ansteigen. Dies führt zu einer falschen Spannungs- und Stromausgabe des LDO, wodurch unsere Last beschädigt wird. Wenn die Eingangsspannung am LDO die Grenzwerte überschreitet, werden der UVLO- und der OVLO-Schutz ausgelöst, um das LDO und die Last zu schützen. Die Untergrenze für UVLO und die maximalen Eingangsspannungsgrenzen können mit einfachen Spannungsteilern eingestellt werden.

Die Überspannungsschutzschaltung bietet dem LDO Immunität gegen Transienten und Hochspannungsstöße oder -spitzen. Es ist auch eine zusätzliche Funktion, die von verschiedenen LDOs angeboten wird. Der Kurzschlussschutz am Ausgang ist eine Form des Überstromschutzes. Wenn die Last kurzgeschlossen wird, trennt die Kurzschlussschutzfunktion eines LDO die Last von der Eingangsstromversorgung. Der Wärmeschutz funktioniert, wenn das LDO erwärmt wird. Während des Aufheizvorgangs verhindert die Wärmeschutzschaltung, dass das LDO funktioniert, um weitere Schäden zu vermeiden.

Zusatzfunktionen

LDOs können über zwei zusätzliche Steuerpegel für den Logikpegel verfügen, um mit einem Mikrocontrollereingang zu kommunizieren. Aktivierungs-Pin, oft als EN bezeichnet, und dies ist ein Eingangs-Pin des LDO. Ein einfacher Mikrocontroller kann den Status des EN-Pins eines LDO ändern, um die Ausgangsleistung zu aktivieren oder zu deaktivieren. Dies ist eine praktische Funktion, wenn Lasten für Anwendungszwecke ein- oder ausgeschaltet werden müssen.

Power Good Pin ist ein Ausgangspin vom LDO. Dieser Pin kann auch mit einer Mikrocontrollereinheit verbunden werden, um je nach Leistungszustand einen logischen Low- oder High-Wert bereitzustellen. Basierend auf dem Zustand des Power Good Pins kann die Mikrocontroller-Einheit die Informationen über den Stromstatus über das LDO abrufen.

Einschränkungen von LDO

Obwohl LDO bei niedriger Ausfallspannung eine ordnungsgemäße Ausgabe bietet, weist es dennoch einige Einschränkungen auf. Die Hauptbeschränkung des LDO ist die Effizienz. Es ist richtig, dass der LDO in Bezug auf Verlustleistung und Effizienz besser ist als die Standard-Linearregler, aber es ist immer noch eine schlechte Wahl für den Betrieb mit tragbaren Batterien, bei denen der Wirkungsgrad das Hauptanliegen ist. Der Wirkungsgrad wird noch schlechter, wenn die Eingangsspannung deutlich höher als die Ausgangsspannung ist. Die Wärmeableitung nimmt zu, wenn der Spannungsabfall höher ist. Die überschüssige Abfallenergie, die als Wärme umgewandelt wird und einen Kühlkörper benötigt, führte zu einer Vergrößerung der Leiterplattenfläche sowie zu Komponentenkosten. Für eine bessere Effizienz sind Schaltregler immer noch die beste Wahl gegenüber Linearreglern, insbesondere LDOs.

Soll ich LDO für mein nächstes Design verwenden?

Da LDOs eine sehr niedrige Dropout-Spannung bieten, ist es gut, ein LDO nur dann auszuwählen, wenn die gewünschte Ausgangsspannung sehr nahe an der verfügbaren Eingangsspannung liegt. Die folgenden Fragen können Ihnen dabei helfen, festzustellen, ob für Ihr Schaltungsdesign tatsächlich ein LDO erforderlich ist

Liegt die gewünschte Ausgangsspannung nahe an der verfügbaren Eingangsspannung? Wenn ja, wie viel? Es ist gut, LDO zu verwenden, wenn die Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung weniger als 300 mV beträgt
Werden 50-60% des Wirkungsgrades für die gewünschte Anwendung akzeptiert?
Geräuscharme Stromversorgung ist ein Bedarf?
Wenn die Kosten ein Problem und eine einfache, geringere Anzahl von Teilen sind, wird die platzsparende Lösung benötigt.
Wird es zu teuer und sperrig sein, einen Schaltkreis hinzuzufügen?

Wenn Sie für alle oben genannten Fragen mit „JA“ geantwortet haben, ist LDO möglicherweise eine gute Wahl. Aber wie lautet die Spezifikation des LDO? Nun, es hängt von den folgenden Parametern ab.

Ausgangsspannung.
Minimale und maximale Eingangsspannung.
Ausgangsstrom.
Paket der LDOs.
Die Kosten und Verfügbarkeit.
Die Option Aktivieren und Deaktivieren ist erforderlich oder nicht.
Zusätzliche Schutzoptionen, die für die Anwendung erforderlich sind. Wie Überstromschutz, UVLO und OVLO usw.

Beliebte LDOs auf dem Markt

Jeder einzelne Hersteller von Leistungs-ICs wie Texas Instruments, Linear Technology usw. hat auch einige Lösungen für LDO. Texas Instruments verfügt über eine große Auswahl an LDOs, die von verschiedenen Designanforderungen abhängen. Die folgende Tabelle zeigt die große Sammlung von LDOs mit einem breiten Bereich an Ausgangsstrom und Eingangsspannung.

In ähnlicher Weise verfügt die lineare Technologie von analogen Geräten auch über einige leistungsstarke Low-Dropout-Regler.

LDO - Beispieldesign

Betrachten wir einen praktischen Fall, in dem LDO obligatorisch sein wird. Angenommen, eine kostengünstige, einfache und platzsparende Lösung wird benötigt, um die 3,7-V-Lithiumbatterieleistung in eine stabile 3,3-V-500-mA- Quelle mit kurzer Strombegrenzung und Wärmeschutz umzuwandeln. Die Stromversorgungslösung muss mit einem Mikrocontroller verbunden werden, um eine Last zu aktivieren oder zu deaktivieren, und der Wirkungsgrad kann 50-60% betragen. Da wir eine einfache und kostengünstige Lösung benötigen, können wir die Schaltreglerkonstruktionen ausschließen.

Eine Lithiumbatterie kann im Vollladezustand 4,2 V und im vollständig leeren Zustand 3,2 V liefern. Daher kann der LDO gesteuert werden, um die Last bei einer Niederspannungssituation zu trennen, indem die Eingangsspannung des LDO von der Mikrocontrollereinheit erfasst wird.

Zur Zusammenfassung benötigen wir 3,3 V Ausgangsspannung, 500 mA Strom, Option Pin aktivieren, niedrige Teilezahlen, Ausfallanforderungen von ca. 300-400 mV, Kurzschlussschutz am Ausgang sowie thermische Abschaltfunktion. Für diese Anwendung ist MCP1825 meine persönliche Wahl für LDO - 3,3 V Festspannungsregler per Mikrochip.

Die vollständige Funktionsliste ist im folgenden Bild aus dem Datenblatt zu sehen.

Unten sehen Sie den Schaltplan des MCP1825 zusammen mit der Pinbelegung. Das Schema ist auch im Datenblatt enthalten. Durch einfaches Anschließen weniger externer Komponenten wie Widerstand und Kondensator können wir mit unserem LDO problemlos die erforderliche Spannung mit minimaler Spannung dorp regulieren.

LDO - PCB Design Richtlinien

Nachdem Sie das LDO entschieden und getestet haben, um es für Ihr Design zu verwenden, können Sie mit dem Design der Leiterplatte für Ihre Schaltung fortfahren. Im Folgenden finden Sie einige Tipps, die Sie beim Entwerfen einer Leiterplatte für LDO-Komponenten beachten sollten.

Wenn ein SMD-Paket verwendet wird, ist es wichtig , einen geeigneten Kupferbereich in Leiterplatten bereitzustellen, da LDOs Wärme ableiten.
Die Kupferdicke trägt wesentlich zum störungsfreien Betrieb bei. Kupferdicke von 2 Unzen (70 um) ist eine gute Wahl.
C1 und C2 müssen so nah wie möglich am MCP1825 sein.
Die dicke Grundplatte wird für geräuschbedingte Probleme benötigt.
Verwenden Sie Vias für eine ordnungsgemäße Wärmeableitung in doppelseitigen Leiterplatten.