Comprensione bassa

Oggi, le dimensioni dei dispositivi elettronici si sono ridotte che mai. Questo ci consente di mettere insieme toni di funzionalità in dispositivi portatili compatti come smartwatch, fitness tracker e altri dispositivi indossabili, ci aiuta anche a implementare dispositivi IoT remoti per il monitoraggio del bestiame, il monitoraggio delle risorse ecc. Una cosa comune tra tutti questi dispositivi portatili è che funzionano a batteria. E quando un dispositivo funziona a batteria, è importante che i progettisti selezionino componenti che conservino ogni milli-volt nella loro progettazione per far funzionare il dispositivo più a lungo con il succo della batteria disponibile. Una volta che tale componente è il regolatore di tensione a bassa caduta di tensione (LDO). In questo articolo impareremo di più su LDO e su come selezionare quello giusto per il tuo progetto di circuito.

Cos'è un regolatore in elettronica?

Un regolatore è un dispositivo o un meccanismo ben progettato che regola qualcosa, qui il qualcosa di solito si riferisce alla tensione di corrente. Esistono due tipi di regolatori utilizzati principalmente in elettronica, il primo è il regolatore di commutazione e il secondo è il regolatore lineare. Entrambi hanno un'architettura e un sottosistema di lavoro diversi, ma non ne parleremo in questo articolo. Ma in parole povere, se un regolatore controlla la corrente di uscita, viene chiamato regolatore di corrente. Per lo stesso aspetto, i regolatori di tensione vengono utilizzati per controllare la tensione.

Differenza tra LDO e regolatori lineari

I regolatori lineari sono i dispositivi più comuni utilizzati per la regolazione dell'alimentazione e la maggior parte di noi avrà familiarità con dispositivi come 7805, LM317. Tuttavia, lo svantaggio dell'utilizzo di un regolatore lineare in applicazioni a batteria è che qui la tensione di ingresso di un regolatore lineare deve sempre essere superiore alla tensione di uscita regolata. Ciò significa che le differenze tra le tensioni di ingresso e la tensione di uscita sono elevate. Pertanto, i regolatori lineari standard hanno alcune limitazioni quando la tensione di uscita regolata deve essere un valore vicino alla tensione di ingresso.

Funzionamento di un LDO

LDO fa parte della dinastia dei regolatori lineari. Ma, a differenza dei normali regolatori lineari, in un LDO la differenza tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita è inferiore. Questa differenza è chiamata tensione di caduta. Poiché l'LDO ha una tensione di caduta molto bassa, viene chiamato regolatori di tensione di caduta bassa. Puoi pensare a un LDO e un resistore lineare posto in serie con il carico per ridurre la tensione al livello richiesto. Il vantaggio di avere un LDO è che la caduta di tensione su di esso sarà molto inferiore a quella di un resistore.

Poiché LDO offre una bassa tensione di caduta tra ingresso e uscita, può funzionare anche se la tensione di ingresso è relativamente vicina alla tensione di uscita. La caduta di tensione su un LDO sarà compresa tra 300 mV e 1,5 V massimo. In alcuni LDO, le differenze di tensione sono anche inferiori a 300 mV.

L'immagine sopra mostra una semplice costruzione LDO in cui è progettato un sistema a circuito chiuso. Una tensione di riferimento viene creata dalla tensione di ingresso e inviata a un amplificatore differenziale. La tensione di uscita viene rilevata da un partitore di tensione e nuovamente alimentata al pin di ingresso dell'amplificatore differenziale. A seconda di questi due valori, l'uscita dalla tensione di riferimento e l'uscita dal partitore di tensione, l'amplificatore produce l'uscita. Questa uscita controlla il resistore variabile. Quindi, qualsiasi valore di questi due potrebbe alterare l'uscita dell'amplificatore. Qui il riferimento di tensione è necessario per essere stabile per rilevare accuratamente l'altro. Quando la tensione di riferimento è stabile, una piccola variazione della tensione di uscita si riflette sull'ingresso dell'amplificatore differenziale tramite il partitore di resistenza.L'amplificatore controlla quindi il resistore variabile per fornire un'uscita stabile. D'altra parte, il riferimento di tensione non dipende dalla tensione di ingresso e fornisce un riferimento stabile attraverso l'amplificatore differenziale rendendolo immune ai cambiamenti transitori e rende anche iltensione di uscita indipendente dalla tensione di ingresso. Il resistore variabile mostrato qui verrà normalmente sostituito da un MOSFET o JFET efficiente nella costruzione attuata. I transistor bipolari non vengono utilizzati negli LDO a causa dei requisiti aggiuntivi di generazione di corrente e calore che portano a una scarsa efficienza.

Parametri da considerare durante la selezione del tuo LDO

Caratteristiche di base

Essendo un dispositivo essenziale per garantire la corretta erogazione di potenza al carico, la prima caratteristica fondamentale è la regolazione del carico e la stabilità dell'uscita. Una corretta regolazione del carico è essenziale durante le variazioni della corrente di carico. Quando il carico aumenta o diminuisce il suo consumo di corrente, la tensione di uscita dal regolatore non deve fluttuare. La fluttuazione della tensione di uscita viene misurata in un intervallo mV per ampere di corrente e chiamata accuratezza. La precisione della tensione di uscita di un LDO varia da 5 mV a 50 mV, poche percentuali della tensione di uscita.

Funzioni di sicurezza e protezione

LDO offre caratteristiche di sicurezza di base assicurando un'erogazione di potenza adeguata attraverso l'uscita. Le caratteristiche di sicurezza sono soddisfatte utilizzando circuiti di protezione su ingresso e uscita. I circuiti di protezione sono protezione da sottotensione (UVLO), protezione da sovratensione (OVLO), protezione da sovratensioni, protezione da cortocircuito in uscita e protezione termica.

In alcune situazioni, la tensione di ingresso fornita al regolatore potrebbe diminuire notevolmente o aumentare fino a un valore elevato. Ciò si traduce in una tensione e un'uscita di corrente improprie dall'LDO che danneggeranno il nostro carico. Se la tensione di ingresso attraverso l'LDO è oltre i limiti, la protezione UVLO e OVLO viene attivata per proteggere l'LDO e il carico. Il limite inferiore per UVLO ei limiti massimi della tensione di ingresso possono essere impostati utilizzando semplici divisori di tensione.

Il circuito di protezione contro le sovratensioni offre immunità all'LDO da transitori e picchi o picchi di alta tensione. È anche una funzionalità aggiuntiva offerta da diversi LDO. La protezione da cortocircuito in uscita è una forma di protezione da sovracorrente. Se il carico viene cortocircuitato, la funzione di protezione da cortocircuito di un LDO scollega il carico dall'alimentazione di ingresso. La protezione termica funziona quando l'LDO si riscalda. Durante l'operazione di riscaldamento, il circuito di protezione termica arresta il funzionamento dell'LDO per evitare ulteriori danni allo stesso.

Caratteristiche aggiuntive

Gli LDO possono avere due pin di controllo del livello logico aggiuntivi per comunicare con un ingresso del microcontrollore. Abilitare il pin spesso indicato come EN e questo è un pin di ingresso dell'LDO. Un semplice microcontrollore può modificare lo stato del pin EN di un LDO per abilitare o disabilitare l'uscita di potenza. Questa è una funzione utile quando i carichi devono essere attivati o disattivati per scopi applicativi.

Il pin Power Good è un pin di uscita dall'LDO. Questo pin può anche essere collegato a un'unità microcontrollore per fornire una logica bassa o alta a seconda delle condizioni di alimentazione. In base allo stato del pin di alimentazione buono, l'unità microcontrollore può ottenere le informazioni sullo stato di alimentazione attraverso l'LDO.

Limitazioni di LDO

Sebbene LDO offra un'uscita adeguata a una bassa tensione di caduta, presenta ancora alcune limitazioni. La principale limitazione dell'LDO è l' efficienza. È vero che l'LDO è migliore dei regolatori lineari standard in termini di dissipazione di potenza ed efficienza, ma è ancora una scelta sbagliata per le operazioni legate alla batteria portatile dove l'efficienza è la preoccupazione principale. L'efficienza diventa addirittura scarsa se la tensione di ingresso è notevolmente superiore alla tensione di uscita. La dissipazione del calore aumenta quando la caduta di tensione è maggiore. L'eccesso di energia di scarto che viene trasformato in calore e richiede un dissipatore di calore, ha comportato un aumento dell'area PCB e un costo dei componenti. Per una migliore efficienza, i regolatori a commutazione sono ancora la scelta migliore rispetto ai regolatori lineari, in particolare gli LDO.

Dovrei usare LDO per il mio prossimo progetto?

Poiché gli LDO offrono una tensione di caduta molto bassa, è bene selezionare un LDO solo quando la tensione di uscita desiderata è molto vicina alla tensione di ingresso disponibile. Le seguenti domande possono aiutarti a determinare se la progettazione del tuo circuito necessita effettivamente di un LDO

La tensione di uscita desiderata è vicina alla tensione di ingresso disponibile? Se sì, quanto? È consigliabile utilizzare LDO se la differenza tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita è inferiore a 300 mV
È accettato il 50-60% di efficienza per l'applicazione desiderata?
È necessaria un'alimentazione a basso rumore?
Se il costo è un problema e il numero di parti semplice e inferiore, è necessaria la soluzione salvaspazio.
Sarà troppo costoso e ingombrante aggiungere un circuito di commutazione?

Se hai risposto "SÌ" a tutte le domande precedenti, LDO potrebbe essere una buona scelta. Ma quale sarà la specifica dell'LDO? Bene, dipende dai parametri seguenti.

Tensione di uscita.
Tensione di ingresso minima e massima.
Corrente di uscita.
Pacchetto degli LDO.
Il costo e la disponibilità.
L'opzione Abilita e disabilita è richiesta o meno.
Opzioni di protezione aggiuntive quelle necessarie per l'applicazione. Come protezione da sovracorrente, UVLO e OVLO, ecc.

LDO popolari sul mercato

Ogni singolo produttore di circuiti integrati di potenza come Texas Instruments, Linear Technology, ecc. Ha anche alcune soluzioni per LDO. Texas Instruments ha un'ampia gamma di LDO a seconda delle varie esigenze di progettazione, il grafico sottostante mostra la sua vasta collezione di LDO con un'ampia gamma di corrente di uscita e tensione di ingresso.

Allo stesso modo, la tecnologia lineare dei dispositivi analogici ha anche alcuni regolatori a bassa caduta di tensione ad alte prestazioni.

LDO - Esempio di progetto

Consideriamo un caso pratico in cui LDO sarà obbligatorio. Supponiamo che sia necessaria una soluzione a basso costo, semplice e salvaspazio per convertire l'uscita della batteria al litio da 3,7 V in una sorgente stabile da 3,3 V 500 mA con limite di corrente breve e protezione termica. La soluzione di alimentazione deve essere collegata a un microcontrollore per abilitare o disabilitare un carico e l'efficienza può essere del 50-60%. Poiché abbiamo bisogno di una soluzione semplice ed a basso costo, possiamo escludere i progetti del regolatore di commutazione.

Una batteria al litio può fornire 4,2 V durante la condizione di carica completa e 3,2 V quando è completamente scarica. Pertanto, l'LDO può essere controllato per scollegare il carico in condizioni di bassa tensione rilevando la tensione di ingresso dell'LDO dall'unità microcontrollore.

Per riassumere, abbiamo bisogno di una tensione di uscita di 3,3 V, 500 mA di corrente, opzione Abilita pin, conteggi di parti bassi, requisiti di dropout di circa 300-400 mV, protezione da cortocircuito in uscita insieme alla funzione di spegnimento termico, per questa applicazione la mia scelta personale di LDO è MCP1825 - Regolatore di tensione fissa 3,3V tramite microchip.

L'elenco completo delle funzionalità può essere visualizzato nell'immagine sottostante, presa dalla scheda tecnica -

Di seguito è riportato lo schema del circuito di MCP1825 insieme al pin-out. Lo schema è fornito anche nella scheda tecnica, quindi collegando semplicemente pochi componenti esterni come resistore e condensatore possiamo facilmente utilizzare il nostro LDO per regolare la tensione richiesta con una tensione minima dorp.

LDO - Linee guida per la progettazione di PCB

Dopo aver deciso l'LDO e averlo testato affinché funzioni per il tuo progetto, puoi procedere con la progettazione del PCB per il tuo circuito. Di seguito sono riportati i pochi suggerimenti da ricordare durante la progettazione di un PCB per componenti LDO.

Se viene utilizzato un contenitore SMD, è essenziale fornire un'area di rame adeguata nei PCB poiché gli LDO dissipano il calore.
Lo spessore del rame è un fattore importante per un funzionamento senza problemi. Lo spessore di rame di 2 Oz (70um) sarà una buona scelta.
C1 e C2 devono essere il più vicino possibile all'MCP1825.
Il piano di massa spesso è richiesto per problemi legati al rumore.
Utilizzare Vias per una corretta dissipazione del calore nei PCB a doppia faccia.