Hiểu biết thấp

Ngày nay, các thiết bị điện tử đã bị thu hẹp về kích thước hơn bao giờ hết. Điều này cho phép chúng tôi đóng gói nhiều tính năng trong các thiết bị di động nhỏ gọn như đồng hồ thông minh, thiết bị theo dõi thể dục và các thiết bị đeo khác, nó cũng giúp chúng tôi triển khai các thiết bị IoT từ xa để theo dõi gia súc, theo dõi tài sản, v.v. Một điểm chung giữa tất cả các thiết bị di động này là chúng được vận hành bằng pin. Và khi một thiết bị hoạt động bằng pin, điều quan trọng là các kỹ sư thiết kế phải lựa chọn các thành phần tiết kiệm từng mili-vôn trong thiết kế của họ để chạy thiết bị trong thời gian dài hơn với nguồn pin có sẵn. Một khi thành phần như vậy là Bộ điều chỉnh điện áp bỏ học thấp (LDO). Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về LDO và cách chọn cái phù hợp cho thiết kế mạch của bạn.

Regulator trong điện tử là gì?

Bộ điều chỉnh là một thiết bị hoặc một cơ cấu được thiết kế tốt để điều chỉnh một cái gì đó, ở đây cái gì đó thường đề cập đến điện áp của dòng điện. Có hai loại bộ điều chỉnh chủ yếu được sử dụng trong điện tử, loại thứ nhất là bộ điều chỉnh chuyển mạch và loại thứ hai là bộ điều chỉnh tuyến tính. Cả hai đều có kiến trúc làm việc và hệ thống con khác nhau, nhưng chúng ta sẽ không thảo luận về chúng trong bài viết này. Nhưng nói một cách đơn giản, nếu một bộ điều chỉnh đang kiểm soát dòng điện đầu ra thì nó được gọi là bộ điều chỉnh dòng điện. Theo cùng một khía cạnh, bộ điều chỉnh điện áp được sử dụng để kiểm soát điện áp.

Sự khác biệt giữa LDO và Bộ điều chỉnh tuyến tính

Bộ điều chỉnh tuyến tính là thiết bị phổ biến nhất được sử dụng để điều chỉnh nguồn điện và hầu hết chúng ta sẽ quen thuộc hơn với các thiết bị như 7805, LM317. Nhưng, nhược điểm của việc sử dụng Bộ điều chỉnh tuyến tính trong các ứng dụng hoạt động bằng pin là ở đây điện áp đầu vào của bộ điều chỉnh tuyến tính luôn cần cao hơn điện áp đầu ra được quy định. Có nghĩa là, sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra là cao. Do đó, bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn có một số hạn chế khi điện áp đầu ra được điều chỉnh được yêu cầu phải là giá trị gần với điện áp đầu vào.

Làm việc của một LDO

LDO là một phần của triều đại điều chỉnh tuyến tính. Nhưng, không giống như các bộ điều chỉnh tuyến tính bình thường, trong LDO, sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra ít hơn. Sự khác biệt này được gọi là điện áp bỏ học. Vì LDO có điện áp thả rất thấp nên nó được gọi là Bộ điều chỉnh điện áp thả thấp. Bạn có thể nghĩ về LDO là một điện trở tuyến tính mắc nối tiếp với tải để giảm điện áp đến mức yêu cầu. Ưu điểm của việc có LDO là điện áp rơi trên nó sẽ nhỏ hơn nhiều so với điện trở.

Vì LDO cung cấp điện áp thả thấp giữa đầu vào và đầu ra, nó có thể hoạt động ngay cả khi điện áp đầu vào tương đối gần với điện áp đầu ra. Điện áp rơi trên LDO sẽ nằm trong khoảng tối đa từ 300mV đến 1,5V. Trong một số LDO, sự chênh lệch điện áp thậm chí còn nhỏ hơn 300mV.

Hình ảnh trên cho thấy một cấu trúc LDO đơn giản, trong đó một hệ thống vòng kín được thiết kế. Một điện áp tham chiếu được tạo ra từ điện áp đầu vào và đưa đến bộ khuếch đại vi sai. Điện áp đầu ra được cảm nhận bởi một bộ chia điện áp và được đưa lại vào chân đầu vào của bộ khuếch đại vi sai. Tùy thuộc vào hai giá trị này, đầu ra từ điện áp tham chiếu và đầu ra từ bộ chia điện áp, bộ khuếch đại tạo ra đầu ra. Đầu ra này điều khiển biến trở. Do đó, bất kỳ giá trị nào của hai giá trị này đều có thể thay đổi đầu ra của bộ khuếch đại. Ở đây, tham chiếu điện áp là cần thiết để ổn định để cảm nhận chính xác khác. Khi điện áp tham chiếu ổn định, một biến thiên nhỏ của điện áp đầu ra phản ánh vào đầu vào của bộ khuếch đại vi sai thông qua bộ chia điện trở.Bộ khuếch đại sau đó điều khiển biến trở để cung cấp một đầu ra ổn định. Mặt khác, tham chiếu điện áp không phụ thuộc vào điện áp đầu vào và cung cấp tham chiếu ổn định qua bộ khuếch đại vi sai làm cho nó miễn nhiễm với những thay đổi nhất thời và cũng làm chođiện áp đầu ra độc lập với điện áp đầu vào. Biến trở hiển thị ở đây thường sẽ được thay thế bằng một MOSFET hoặc JFET hiệu quả trong cấu trúc truyền động. Các bóng bán dẫn lưỡng cực không được sử dụng trong LDO do các yêu cầu bổ sung của dòng điện và sinh nhiệt dẫn đến hiệu quả kém.

Các thông số cần xem xét khi chọn LDO của bạn

Tính năng cơ bản

Vì nó là một thiết bị cần thiết để đảm bảo cung cấp điện thích hợp cho phụ tải, tính năng chính đầu tiên là điều chỉnh tải và đầu ra ổn định. Điều chỉnh tải thích hợp là điều cần thiết trong quá trình thay đổi dòng điện tải. Khi tải tăng hoặc giảm dòng điện tiêu thụ, điện áp đầu ra từ bộ điều chỉnh không được dao động. Sự dao động của điện áp đầu ra được đo bằng phạm vi mV trên mỗi ampe dòng điện và được gọi là độ chính xác. Các chính xác điện áp đầu ra của một LDO dao động từ 5mV phạm vi 50mV, một vài tỷ lệ phần trăm của điện áp đầu ra.

Các tính năng an toàn và bảo vệ

LDO cung cấp các tính năng an toàn cơ bản bằng cách đảm bảo cung cấp điện thích hợp trên đầu ra. Các tính năng an toàn được cung cấp bằng cách sử dụng mạch bảo vệ trên đầu vào và đầu ra. Các mạch bảo vệ là Bảo vệ dưới điện áp (UVLO), Bảo vệ quá áp (OVLO), Bảo vệ tăng áp, bảo vệ ngắn mạch đầu ra và bảo vệ nhiệt.

Trong một số tình huống, điện áp đầu vào được cung cấp cho bộ điều chỉnh có thể giảm xuống thấp đáng kể hoặc tăng lên giá trị cao. Điều này dẫn đến đầu ra điện áp và dòng điện từ LDO không phù hợp sẽ làm hỏng tải của chúng tôi. Nếu điện áp đầu vào trên LDO vượt quá giới hạn, bảo vệ UVLO và OVLO được kích hoạt để bảo vệ LDO và tải. Có thể đặt giới hạn dưới cho UVLO và giới hạn điện áp đầu vào tối đa bằng cách sử dụng bộ chia điện áp đơn giản.

Mạch bảo vệ tăng áp cung cấp khả năng miễn dịch với LDO từ quá độ và điện áp cao tăng hoặc đột biến. Nó cũng là một tính năng bổ sung được cung cấp bởi các LDO khác nhau. Bảo vệ ngắn mạch đầu ra là một dạng của bảo vệ quá dòng. Nếu tải bị ngắn mạch, tính năng bảo vệ ngắn mạch của LDO sẽ ngắt tải khỏi nguồn điện đầu vào. Bảo vệ nhiệt hoạt động khi LDO bị đốt nóng. Trong quá trình hoạt động tăng nhiệt, mạch bảo vệ nhiệt ngừng LDO hoạt động để ngăn chặn bất kỳ thiệt hại nào thêm cho nó.

Tính năng bổ sung

LDO có thể có thêm hai chân điều khiển mức logic để giao tiếp với đầu vào vi điều khiển. Chân kích hoạt thường được gọi là EN và đây là một chân đầu vào của LDO. Một bộ vi điều khiển đơn giản có thể thay đổi trạng thái của chân EN của LDO để bật hoặc tắt đầu ra nguồn. Đây là một tính năng tiện dụng khi tải cần được bật hoặc tắt cho các mục đích ứng dụng.

Chân Nguồn Tốt là chân đầu ra từ LDO. Chân này cũng có thể được kết nối với một bộ vi điều khiển để cung cấp mức logic thấp hoặc cao tùy thuộc vào điều kiện nguồn. Dựa trên trạng thái của chân nguồn tốt, bộ vi điều khiển có thể nhận được thông tin về trạng thái nguồn trên LDO.

Hạn chế của LDO

Mặc dù LDO cung cấp đầu ra thích hợp ở điện áp thả thấp, nhưng nó vẫn có một số hạn chế. Hạn chế chính của LDO là hiệu quả. Đúng là LDO tốt hơn các bộ điều chỉnh tuyến tính tiêu chuẩn về khả năng tiêu tán điện và hiệu quả nhưng nó vẫn là một lựa chọn tồi cho các hoạt động liên quan đến pin di động nơi hiệu quả là mối quan tâm chính. Hiệu quả thậm chí còn kém nếu điện áp đầu vào cao hơn đáng kể điện áp đầu ra. Sự tản nhiệt tăng khi điện áp giảm càng cao. Năng lượng thải dư thừa được chuyển hóa thành nhiệt và yêu cầu một bộ tản nhiệt, dẫn đến tăng diện tích PCB cũng như phát sinh chi phí linh kiện. Để có hiệu quả tốt hơn, bộ điều chỉnh chuyển mạch vẫn là lựa chọn tốt nhất so với bộ điều chỉnh tuyến tính, đặc biệt là LDO.

Tôi có nên sử dụng LDO cho thiết kế tiếp theo của mình không?

Vì LDO cung cấp điện áp bỏ qua rất thấp, nên chỉ chọn một LDO khi điện áp đầu ra mong muốn rất gần với điện áp đầu vào có sẵn. Các câu hỏi dưới đây có thể giúp bạn xác định xem thiết kế mạch của bạn có thực sự cần LDO hay không

Điện áp đầu ra mong muốn có gần với điện áp đầu vào có sẵn không? Nếu có, thì bao nhiêu? Tốt nhất là sử dụng LDO nếu sự khác biệt giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra nhỏ hơn 300mV
50-60% hiệu quả có được chấp nhận cho ứng dụng mong muốn không?
Cung cấp điện tiếng ồn thấp là một nhu cầu?
Nếu chi phí là một vấn đề và đơn giản, tính phần thấp hơn, thì giải pháp tiết kiệm không gian là cần thiết.
Sẽ là quá đắt và cồng kềnh để thêm một mạch chuyển đổi?

Nếu bạn đã trả lời “CÓ” cho tất cả câu hỏi trên, thì LDO có thể là một lựa chọn tốt. Nhưng, đặc điểm kỹ thuật của LDO sẽ là gì? Vâng, nó phụ thuộc vào các thông số dưới đây.

Điện áp đầu ra.
Điện áp đầu vào tối thiểu và tối đa.
Sản lượng hiện tại.
Gói LDO.
Chi phí và tính khả dụng.
Tùy chọn Bật và Tắt là bắt buộc hoặc không.
Các tùy chọn bảo vệ bổ sung cần thiết cho ứng dụng. Chẳng hạn như bảo vệ quá dòng, UVLO và OVLO, v.v.

LDO phổ biến trên thị trường

Mỗi nhà sản xuất vi mạch nguồn như Texas Instruments, Linear Technology, v.v. cũng có một số giải pháp cho LDO. Texas Instruments có nhiều loại LDO tùy thuộc vào các nhu cầu thiết kế khác nhau, biểu đồ dưới đây cho thấy bộ sưu tập LDO khổng lồ của hãng với một loạt các dòng điện đầu ra và điện áp đầu vào.

Tương tự, công nghệ Linear, từ các thiết bị Analog cũng có một số Bộ điều chỉnh Bỏ học Thấp hiệu suất cao.

LDO - Thiết kế mẫu

Hãy xem xét một trường hợp thực tế trong đó LDO sẽ là bắt buộc. Giả sử cần một giải pháp tiết kiệm không gian, đơn giản, chi phí thấp để chuyển đổi đầu ra pin lithium 3.7V thành nguồn 3.3V 500mA ổn định với giới hạn dòng ngắn và bảo vệ nhiệt. Giải pháp nguồn cần được kết nối với bộ vi điều khiển để bật hoặc tắt một số tải và hiệu suất có thể là 50-60%. Vì chúng ta cần một giải pháp đơn giản và chi phí thấp, chúng ta có thể loại trừ các thiết kế bộ điều chỉnh chuyển mạch.

Pin lithium có thể cung cấp 4,2V trong điều kiện sạc đầy và 3,2V trong điều kiện hoàn toàn trống. Do đó, LDO có thể được điều khiển để ngắt tải ở tình huống điện áp thấp bằng cách cảm nhận điện áp đầu vào của LDO bởi bộ vi điều khiển.

Để sumerize, chúng tôi cần, điện áp đầu ra 3,3V, dòng điện 500mA, kích hoạt tùy chọn pin, đếm phần thấp, khoảng 300-400 mV yêu cầu bỏ qua, bảo vệ ngắn mạch đầu ra cùng với tính năng tắt nhiệt, đối với ứng dụng này, lựa chọn LDO cá nhân của tôi là MCP1825 - Ổn áp cố định 3.3V bằng vi mạch.

Danh sách tính năng đầy đủ có thể được nhìn thấy trong hình ảnh dưới đây, được lấy từ biểu dữ liệu -

Dưới đây là sơ đồ mạch của MCP1825 cùng với chân cắm. Sơ đồ cũng được cung cấp trong biểu dữ liệu, do đó chỉ cần kết nối một số thành phần bên ngoài như điện trở và tụ điện, chúng ta có thể dễ dàng sử dụng LDO của mình để điều chỉnh điện áp yêu cầu với mức điện áp tối thiểu.

LDO - Hướng dẫn thiết kế PCB

Khi bạn đã xác định LDO và thử nghiệm nó hoạt động cho thiết kế của bạn, bạn có thể tiến hành thiết kế PCB cho mạch của mình. Sau đây là một số mẹo bạn nên nhớ khi thiết kế PCB cho các thành phần LDO.

Nếu gói SMD được sử dụng, điều cần thiết là phải cung cấp một vùng đồng thích hợp trong PCB vì LDO tản nhiệt.
Độ dày của đồng là một yếu tố góp phần chính giúp vận hành không gặp sự cố. Độ dày đồng 2 Oz (70um) sẽ là một lựa chọn tốt.
C1 và C2 cần càng gần MCP1825 càng tốt.
Mặt phẳng đất dày là cần thiết cho các vấn đề liên quan đến tiếng ồn.
Sử dụng Vias để tản nhiệt thích hợp trong PCB hai mặt.