Düşük anlamak

Günümüzde elektronik cihazların boyutları hiç olmadığı kadar küçüldü. Bu, akıllı saatler, fitness izleyicileri ve diğer giyilebilir cihazlar gibi kompakt taşınabilir cihazlarda tonlarca özelliği bir araya getirmemizi sağlar, ayrıca sığır izleme, varlık izleme vb. İçin uzaktan IoT cihazlarını dağıtmamıza yardımcı olur. Tüm bu taşınabilir cihazlar arasında ortak bir şey pille çalıştırılmalarıdır. Ve bir cihaz pille çalıştırıldığında, tasarım mühendislerinin, cihazı mevcut pil suyuyla daha uzun süre çalıştırmak için tasarımlarında her mili-voltu koruyan bileşenleri seçmeleri önemlidir. Bu tür bir bileşen, Düşük Bırakmalı Voltaj Düzenleyicidir (LDO). Bu yazıda, LDO ve devre tasarımınız için doğru olanı nasıl seçeceğiniz hakkında daha fazla bilgi edineceğiz.

Elektronikte Regülatör nedir?

Bir regülatör, bir şeyi düzenleyen bir cihaz veya iyi tasarlanmış bir mekanizmadır, burada bir şey genellikle akımın voltajını ifade eder. Var düzenleyiciler iki tür temel olarak kullanılan elektronik, ilki anahtarlama regülatörü ve ikincisi de lineer regülatör. Her ikisinin de farklı bir çalışma mimarisi ve alt sistemleri var, ancak bunları bu makalede tartışmayacağız. Ancak basitçe söylemek gerekirse, bir regülatör çıkış akımını kontrol ediyorsa, buna akım regülatörü denir. Aynı şekilde, voltajı kontrol etmek için voltaj regülatörleri kullanılır.

LDO ve Doğrusal Düzenleyiciler arasındaki fark

Doğrusal regülatörler, güç kaynağı düzenlemesi için kullanılan en yaygın cihazlardır ve çoğumuz 7805, LM317 gibi cihazlara daha yakın olacağız. Ancak, pille çalışan uygulamalarda bir Doğrusal Regülatör kullanmanın dezavantajı, burada doğrusal bir regülatörün giriş geriliminin her zaman düzenlenmiş çıkış geriliminden daha yüksek olması gerektiğidir. Yani, giriş voltajları ile çıkış voltajı arasındaki farklar yüksektir. Bu nedenle, standart doğrusal regülatörlerin, düzenlenmiş çıkış voltajının giriş voltajının yakın bir değeri olması gerektiğinde bazı sınırlamaları vardır.

Bir LDO'nun Çalışması

LDO, lineer regülatör hanedanının bir parçasıdır. Ancak, normal Doğrusal regülatörlerin aksine, bir LDO'da giriş voltajı ile çıkış voltajı arasındaki fark daha azdır. Bu farka bırakma gerilimi denir. LDO çok düşük bırakma voltajına sahip olduğu için buna Düşük bırakma voltaj regülatörleri denir. Bir LDO'yu, voltajı gerekli seviyeye düşürmek için yük ile seri olarak yerleştirilmiş doğrusal bir direnç düşünebilirsiniz. Bir LDO'ya sahip olmanın avantajı, üzerindeki voltaj düşüşünün bir dirençten çok daha az olmasıdır.

LDO, giriş ve çıkış arasında düşük bırakma voltajı sunduğundan, giriş voltajı çıkış voltajına nispeten yakın olsa bile çalışabilir. Bir LDO'daki voltaj düşüşü maksimum 300mV ila 1.5V arasında olacaktır. Bazı LDO'larda voltaj farklılıkları 300mV'den bile azdır.

Yukarıdaki görüntü, kapalı döngü bir sistemin tasarlandığı basit bir LDO yapısını göstermektedir. Giriş voltajından bir referans voltajı oluşturulur ve bir diferansiyel amplifikatöre beslenir. Çıkış voltajı, bir voltaj bölücü tarafından algılanır ve tekrar diferansiyel yükselticinin giriş pinine beslenir. Bu iki değere, referans voltajdan çıkış ve voltaj bölücüden çıkışa bağlı olarak amplifikatör çıkış üretir. Bu çıkış değişken direnci kontrol eder. Bu nedenle, bu ikisinin herhangi bir değeri, amplifikatörün çıkışını değiştirebilir. Burada voltaj referansının diğerini doğru şekilde algılaması için kararlı olması gerekir. Referans voltajı sabit olduğunda, çıkış voltajının küçük bir değişimi, direnç bölücü aracılığıyla diferansiyel yükselticinin girişine yansır.Amplifikatör daha sonra sabit bir çıkış sağlamak için değişken direnci kontrol eder. Öte yandan, voltaj referansı giriş voltajına bağlı değildir ve diferansiyel amplifikatör boyunca kararlı bir referans sağlar ve geçici değişikliklere karşı bağışık hale getirir ve ayrıcagiriş voltajından bağımsız çıkış voltajı. Burada gösterilen değişken direnç, normalde gerçek yapıda verimli bir MOSFET veya JFET ile değiştirilecektir. Bipolar transistörler, düşük verimliliğe neden olan akım ve ısı üretiminin ekstra gereksinimleri nedeniyle LDO'larda kullanılmaz.

LDO'nuzu seçerken dikkate alınacak parametreler

Temel özellikler

Yüke uygun güç iletimini sağlamak için gerekli bir cihaz olduğundan, ilk anahtar özellik yük regülasyonu ve kararlı çıktıdır. Yük akımı değişiklikleri sırasında uygun yük düzenlemesi önemlidir. Yük arttığında veya azaldığında, akım tüketimi regülatörden gelen çıkış voltajı dalgalanmamalıdır. Çıkış voltajının dalgalanması, akımın amper başına mV aralığında ölçülür ve doğruluk olarak adlandırılır. Çıkış gerilimi doğruluğu bir LDO 5mV gelen 50mV aralığında, çıkış voltajının bir kaç yüzdeleri arasında değişir.

Güvenlik ve Koruma Özellikleri

LDO, çıkış boyunca uygun güç dağıtımını sağlayarak temel güvenlik özellikleri sunar. Güvenlik özellikleri, giriş ve çıkışta koruma devresi kullanılarak barındırılır. Koruma devreleri, Düşük Gerilim Koruması (UVLO), Aşırı Gerilim Koruması (OVLO), Aşırı gerilim koruması, çıkış kısa devre koruması ve termal korumadır.

Bazı durumlarda, regülatöre sağlanan giriş voltajı önemli ölçüde düşebilir veya yüksek değere çıkabilir. Bu, yükümüze zarar verecek olan LDO'dan yanlış voltaj ve akım çıkışı ile sonuçlanır. LDO üzerindeki giriş voltajı limitlerin dışındaysa, UVLO ve OVLO koruması LDO'yu ve yükü korumak için tetiklenir. UVLO için alt limit ve maksimum giriş voltaj limitleri, basit voltaj bölücüler kullanılarak ayarlanabilir.

Aşırı gerilim koruma devresi, geçici akımlardan ve yüksek voltaj dalgalanmalarından veya ani yükselmelerden LDO'ya bağışıklık sağlar. Aynı zamanda farklı LDO'lar tarafından sunulan ek bir özelliktir. Çıkış kısa devre koruması, aşırı akım korumasının bir şeklidir. Yük kısa devre olursa, bir LDO'nun kısa devre koruma özelliği, yükü giriş güç kaynağından ayırır. Termal koruma, LDO ısındığında çalışır. Isınma işlemi sırasında, termal koruma devresi LDO'nun daha fazla zarar görmesini önlemek için çalışmasını durdurur.

Ek özellikler

LDO'lar, bir mikro denetleyici girişi ile iletişim kurmak için iki ek mantık seviyesi kontrol pinine sahip olabilir. Genellikle EN olarak anılan pimi etkinleştirin ve bu, LDO'nun bir giriş pinidir. Basit bir mikro denetleyici, güç çıkışını etkinleştirmek veya devre dışı bırakmak için bir LDO'nun EN piminin durumunu değiştirebilir. Bu, yüklerin uygulama amacıyla açılması veya kapatılması gerektiğinde kullanışlı bir özelliktir.

Power Good pin, LDO'dan bir çıkış pinidir. Bu pin, güç durumuna bağlı olarak düşük veya yüksek bir mantık sağlamak için bir mikro denetleyici birimine de bağlanabilir. Güç iyi pin durumuna bağlı olarak, mikro denetleyici birimi LDO'daki güç durumu hakkında bilgi alabilir.

LDO'nun sınırlamaları

LDO, düşük bırakma voltajında ​​uygun çıkış sunsa da, yine de bazı sınırlamaları vardır. LDO'nun ana sınırlaması verimliliktir. LDO'nun güç dağılımı ve verimlilik açısından standart lineer regülatörlerden daha iyi olduğu doğrudur, ancak verimliliğin ana endişe olduğu taşınabilir bataryayla ilgili işlemler için yine de zayıf bir seçimdir. Giriş voltajı çıkış voltajından önemli ölçüde yüksekse verimlilik daha da zayıflar. Voltaj düşüşü daha yüksek olduğunda ısı dağılımı artar. Isı olarak dönüştürülen ve bir soğutucu gerektiren aşırı atık enerji, PCB alanının artmasına ve bir parça maliyetine neden oldu. Daha iyi verimlilik için, anahtarlama regülatörleri, özellikle LDO'lar olmak üzere doğrusal regülatörlere göre hala en iyi seçimdir.

Bir sonraki tasarımım için LDO kullanmalı mıyım?

LDO'lar çok düşük bırakma voltajı sunduğundan, bir LDO'nun seçilmesi yalnızca istenen çıkış voltajı mevcut giriş voltajına çok yakın olduğunda iyidir. Aşağıdaki sorular, devre tasarımınızın gerçekten bir LDO'ya ihtiyaç duyup duymadığını belirlemenize yardımcı olabilir.

1. İstenen çıkış voltajı mevcut giriş voltajına yakın mı? Evetse, ne kadar? Giriş voltajı ile çıkış voltajı arasındaki fark 300mV'den az ise LDO kullanmak iyidir.
2. İstenilen uygulama için% 50-60 verimlilik kabul ediliyor mu?
3. Düşük gürültülü güç kaynağı bir ihtiyaç mı?
4. Maliyet bir sorunsa ve basit, daha düşük parça sayısı ise, yerden tasarruf sağlayan çözüme ihtiyaç vardır.
5. Bir anahtarlama devresi eklemek çok pahalı ve hantal mı olacak?

Yukarıdaki soruların tümü için “EVET” cevabını verdiyseniz, LDO iyi bir seçim olabilir. Ancak, LDO'nun özellikleri ne olacak? Eh, aşağıdaki parametrelere bağlıdır.

• Çıkış Voltajı.
• Minimum ve Maksimum Giriş voltajı.
• Çıkış akımı.
• LDO'ların paketi.
• Maliyet ve kullanılabilirlik.
• Etkinleştir ve Devre Dışı Bırak seçeneği gereklidir veya değildir.
• Uygulama için gerekli olan ek koruma seçenekleri. Aşırı akım koruması, UVLO ve OVLO vb.

Piyasadaki popüler LDO'lar

Texas Instruments, Linear Technology vb. Gibi her bir güç IC üreticisinin de LDO için bazı çözümleri vardır. Texas Instruments, çeşitli tasarım ihtiyaçlarına bağlı olarak geniş bir LDO yelpazesine sahiptir, aşağıdaki grafik, geniş bir çıkış akımı ve giriş voltajı aralığına sahip geniş LDO koleksiyonunu göstermektedir.

Benzer şekilde, Doğrusal teknoloji gelen, analog cihazlar da bazı yüksek performanslı Düşük Bırakma Regülatörleri vardır.

LDO - Örnek Tasarım

LDO'nun zorunlu olacağı pratik bir durumu ele alalım. 3,7V lityum pil çıkışını kısa akım limitli ve termal korumalı kararlı bir 3,3V 500mA kaynağa dönüştürmek için düşük maliyetli, basit, yerden tasarruf sağlayan bir çözümün gerekli olduğunu varsayalım. Bazı yükleri etkinleştirmek veya devre dışı bırakmak için güç çözümünün bir mikro denetleyiciye bağlanması gerekir ve verimlilik% 50-60 olabilir. Basit ve düşük maliyetli bir çözüme ihtiyacımız olduğundan, anahtarlama regülatörü tasarımlarını göz ardı edebiliriz.

Bir lityum pil, tam şarj durumunda 4,2V ve tamamen boş durumda 3,2V sağlayabilir. Bu nedenle, LDO, mikro denetleyici birim tarafından LDO'nun giriş voltajını algılayarak düşük voltaj durumunda yükün bağlantısını kesmek için kontrol edilebilir.

Özetlemek gerekirse, 3.3V çıkış voltajı, 500mA akım, Etkin pin seçeneği, düşük parça sayısı, yaklaşık 300-400 mV bırakma gereksinimleri, çıkış kısa devre koruması ve termal kapatma özelliği ihtiyacımız var, bu uygulama için kişisel LDO seçimim MCP1825 - Mikroçip ile 3.3V sabit voltaj regülatörü.

Tam özellik listesi, veri sayfasından alınan aşağıdaki görselde görülebilir -

Aşağıda, MCP1825'in devre şeması, pin çıkışı ile birlikte verilmiştir. Şematik veri sayfasında da sağlanmıştır, bu nedenle direnç ve kondansatör gibi birkaç harici bileşeni bağlayarak, minimum voltaj dorp ile gerekli voltajı düzenlemek için LDO'yu kolayca kullanabiliriz.

LDO - PCB tasarım yönergeleri

LDO'yu belirledikten ve tasarımınız için çalışmasını test ettikten sonra, devreniz için PCB tasarlamaya devam edebilirsiniz. Aşağıda, LDO bileşenleri için bir PCB tasarlarken hatırlamanız gereken birkaç ipucu bulunmaktadır.

1. SMD paketi kullanılıyorsa, LDO'lar ısıyı dağıttığından PCB'lerde uygun bir bakır alan sağlamak önemlidir.
2. Bakır kalınlığı, sorunsuz çalışmaya önemli bir katkıda bulunur. 2 Oz (70um) bakır kalınlığı iyi bir seçim olacaktır.
3. C1 ve C2'nin MCP1825'e olabildiğince yakın olması gerekir.
4. Gürültü ile ilgili sorunlar için kalın zemin düzlemi gereklidir.
5. Çift taraflı PCB'lerde uygun ısı dağılımı için Vias kullanın.