Sodobne elektronske naprave so vse manjše in vse bolj prenosljive. Pametne ure, merilniki telesne pripravljenosti, varnostni sistemi in naprave interneta stvari (IoT) se večinoma napajajo iz baterij.
Digi-Key Electronics
Avtor:Rolf Horn
Zato potrebujejo zelo učinkovite regulatorje napetosti, ki iz vsakega polnjenja iztisnejo vsak milivat moči, da naprava deluje dlje. Delovati morajo tudi ob minimalnem dvigu temperature. Tradicionalni linearni regulatorji in stikalni napetostni regulatorji ne morejo zlahka doseči učinkovitosti, potrebne za te prenosne naprave. Na stikalne regulatorje napetosti pa poleg tega vplivajo tudi šum in napetosti prehodnih pojavov.
Regulator z nizkim padcem napetosti (LDO), najnovejši dodatek k liniji linearnih in stikalnih regulatorjev, pa deluje z zelo nizkimi padci napetosti ter tako izboljšuje učinkovitost in znižuje toplotne izgube. Različni LDO-ji so primerni za uporabo pri nizkem ali srednjenapetostnem napajanju in imajo dimenzije3 × 3 x 0,6milimetra (mm). Na voljo so različice s fiksno ali nastavljivo izhodno napetostjo, pa tudi nekatere različice s krmiljenjem vklopa in izklopa prek linije za omogočanje izhoda.
Ta članek opisuje osnove regulatorjev z nizkim padcem napetosti in njihove najpomembnejše lastnosti v primerjavi s tradicionalnimi linearnimi in stikalnimi regulatorji napetosti. Predstavlja tudi dejanske LDO-je proizvajalca Diodes Incorporated in njihovo uporabo.
Kaj je LDO regulator?
Funkcija regulatorja napetosti je vzdrževati konstantno izhodno napetost ob spremembah obremenitve in vira napetosti. Tradicionalna vezja regulatorja napetosti imajo linearno ali stikalno zasnovo. LDO regulatorji spadajo v razred linearnih regulatorjev, vendar delujejo z zelo nizkimi napetostmi med vhodnimi in izhodnimi priključki. Tako kot vsi linearni regulatorji napetosti tudi LDO temelji na povratni krmilni zanki (slika 1).
LDO regulator zazna izhodno napetost prek uporovnega delilnika napetosti, ki uravnava izhodno raven. Ojačevalnik napake primerja prilagojeno izhodno napetost z referenčno napetostjo. Ojačevalnik napake skrbi, da prehodno vezje vzdržuje želeno napetost na izhodnem priključku. Razlika med vhodno in izhodno napetostjo je padec napetosti, ki se pojavi na prehodnem vezju.
Prehodno vezje v LDO-ju deluje kot upor, ki je krmiljen s spremenljivo napetostjo. Prehodno vezje je lahko P-kanalni kovinsko oksidni polprevodnik (PMOS), N-kanalni kovinsko oksidni polprevodnik (NMOS) ali bipolarni tranzistor PNP. PMOS in PNP tranzistorji lahko delujejo v območju nasičenja, kar zmanjša padec napetosti. V primeru PMOS tranzistorja z učinkom polja (FET) je padec napetosti približno enak uporu pri VKLOPU kanala (RDSON) pomnožen z izhodnim tokom. Čeprav ima vsaka od teh naprav prednosti in slabosti, se izkaže, da ima PMOS tranzistor najnižje stroške uvedbe. Serija regulatorjev proizvajalca Diodes Incorporated AP7361EA s pozitivnim izhodom uporablja PMOS prehodno vezje in doseže padec napetosti približno 360 milivoltov (mV) za 3,3 voltni izhod pri obremenitvenem toku 1 ampera (A) in natančnosti napetosti ± 1 % (slika 2).
Krivulja padca napetosti kot funkcija izhodnega toka prikazuje konstanten naklon pri vseh temperaturah, kar kaže na njeno uporovno naravo. Padec napetosti je nekoliko odvisen od temperature, pri čemer raven narašča z naraščajočo temperaturo. Upoštevajte, da je padec napetost pri LDO precej nižji kot pri običajnem linearnem regulatorju, ki bi imel padec napetosti približno 2 volta.
Izhodni kondenzator na sliki 1 je prikazan s povezano efektivno serijsko upornostjo (ESR), ki vpliva na stabilnost regulatorja. Izbrani kondenzator mora imeti ESR pod 10 ohmov (Ω), da se zagotovi stabilnost pri polni delovni temperaturi od -40 ° do +85 °C. Predlagane vrste kondenzatorjev vključujejo večplastne keramične kondenzatorje (MLCC), polprevodniške E-CAP in tantalove kondenzatorje z vrednostmi nad 2,2 mikrofarada (µF).
Mirujoči tok IQ je tok, ki ga LDO črpa iz vira energije brez obremenitve. Mirujoči tok napaja notranja vezja LDO-ja, kot sta ojačevalnik napake in delilnik izhodne napetosti. Pri napravah, ki se napajajo iz baterij, mirujoči tok vpliva na hitrost praznjenja baterije in je na splošno zasnovan tako, da je čim nižji. Serija regulatorjev AP7361EA proizvajalca Diodes Incorporated ima tipično IQ 68 µA.
LDO-ji serije AP7361EA
Serija AP7361EA vključuje tri različne konfiguracije vezja, kot je prikazano na sliki 3.
Serija regulatorjev AP7361EA vključuje različice s fiksno ali nastavljivo izhodno napetostjo. Različice s fiksno napetostjo imajo notranje delilnike napetosti in ponujajo ravni izhodne napetosti1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 ali 3,3 volta. Napravam z nastavljivo izhodno napetostjo v razponu od 0,8 do 5 voltov mora uporabnik dodati zunanji delilnik napetosti. Specifikacija natančnosti izhodne napetosti za vse različice je ± 1 %, skupaj z razponom vhodne napetosti od 2,2 do 6 voltov.
Fiksna ali nastavljiva različica lahko vključuje krmilno linijo za vklop ali izklop (EN). AP7361EA se vklopi tako, da se EN priključek nastavi visoko, izklopi pa tako, da se ga potegne nizko. Če te funkcije ne uporabite, mora biti EN priključek povezan z vhodnim (IN) priključkom, da bo izhod regulatorja ves čas vklopljen. Odzivni čas krmilne linije je približno 200 mikrosekund (µs) za vklop in 50 µs za izklop.
Druga pomembna razlika med AP7361EA napravami je fizičnoohišje. Na voljo so ohišja U-DFN3030-8 (tip E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) in SO-8EP.
Nekaj primerov izdelkov AP7361EA, med drugim različice s fiksno (AP7361EA-33DR-13,AP7361EA-10ER-13) in prilagodljivo (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13) napetostjo, je prikazanih v preglednici 1.
Vse naprave serije AP7361EA so zaščitene pred kratkimi stiki in previsokim tokom. Zaščita pred kratkim stikom in previsokim tokom ima omejitev povratnega toka 400 miliamperov (mA), če izhodni tok preseže mejo toka, ki je običajno 1,5 A. Zaustavitev zaradi toplote se zgodi, ko se temperatura spoja naprave poveča na nominalno 150 °C, delovanje pa se obnovi, ko temperatura pade pod približno 130°C.
Regulacija obremenitve in linije
Regulacija obremenitve pomeni sposobnost LDO regulatorja, da ohrani svojo izhodno napetost kljub spremembam v izhodnem obremenitvenem toku. To je pomembno pri prenosnih napravah z baterijskim napajanjem, kjer krmilniki pogosto izklopijo podsisteme, ko niso v uporabi. Serija AP7361EA ima največjo določeno regulacijo obremenitve 1,5 % za izhodne ravni od 1 do 1,2 volta in 1 % za izhode od 1,2 do 3,3 volta (slika 4).
V zgornjem primeru je največja izhodna sprememba približno 32 mV za spremembo obremenitve od 100 mA do 500 mA. Regulacija obremenitve, izračunana kot razmerje med največjo spremembo izhodne napetosti in nazivno izhodno napetostjo, je 0,9 %.
Različica linije določa različico izhoda za spremembo napetosti vira na volt izhoda. Serija AP7361EA ima največjo specifikacijo regulacije omrežja 0,1 % na volt (%/V) pri sobni temperaturi in 0,2 %/V v celotnem temperaturnem območju. Za 3,3-voltni izhod mora sprememba vhodne ravni za 1 volt povzročiti spremembo izhodne ravni manj kot 0,33 % nazivne 3,3-voltne izhodne napetosti (slika 5).
Slika 5 prikazuje primer spremembe napetosti vira za 1 volt s 4,3 na 5,3 volta. Največja sprememba izhoda je 16 mV za regulacijo linije 0,48 %/V. Tako v primeru različice linije kot različice obremenitve izhod hitro okreva po kratkotrajnih dogodkih. To je zlasti pomembno pri ponovnem zagonu procesov v prenosni opremi, kjer mora biti napajalno vodilo vzpostavljeno in delovati, preden se lahko znova zaženejo utišana vezja.
Rejekcijski faktor
LDO-ji, ki so linearna vezja, proizvajajo veliko manj šuma kot stikalni napajalniki (SMPS) ali močnostni pretvorniki. Velikokrat se LDO uporablja lokalno na tiskanem vezju, vendar je vir napajanja SMPS. Zaradi sistema krmiljenja znotraj LDO-ja povzroča regulator manj šuma in valovanja iz vhodnega vira napajanja. Merilo tega dušenja šuma je rejekcijski faktor (angl. power supply rejection ratio – PSRR) (slika 6).
PSRR se izračuna na podlagi razmerja med komponentami AC na vhodu in komponentami na izhodu, kot je prikazano na sliki 6. PSRR v seriji AP7361EA je odvisen od frekvence in pada z naraščajočo frekvenco. PSRR je 75 decibelov (dB) pri 1 kilohercu (kHz) in pade na 55 dB pri frekvenci 10 kHz. 75 dB predstavlja dušenje v razmerju 5600 : 1. 10 mV valovanje ali šumni signal pri 1 kHz bi bil oslabljen na približno 1,7 mikrovoltov (µV).
Primer aplikacije
Tipična aplikacija LDO-ja z nastavljivo izhodno napetostjo je prikazana na sliki 7. Vključuje krmilno linijo izhoda, podobno kot AP7361EA-SPR-13, kot tudi zunanji delilnik izhodne napetosti.
Vrednosti uporov v uporovnem delilniku je mogoče izračunati z enačbami, prikazanimi v spodnjem desnem kotu slike 7. Vrednost R2 mora biti manjša od 80 kilohmov (kΩ), da se zagotovi stabilnost notranje referenčne napetosti. Za izhod 2,4 volta z referenčno napetostjo 0,8 volta in R2, ki je enak 61,9 kΩ, je vrednost R1 123,8 kΩ. Primeren bi bil upor 124 kΩ s toleranco 1 %.
Zaključek
Regulatorji z nizkim padcem napetosti (LDO-ji) so linearni regulatorji napetosti, ki delujejo z nizkimi razlikami napetosti med vhodom in izhodom ter z nizkimi tokovi v mirovanju. So fizično majhni z nizkim šumom, a visoko energetsko učinkoviti. Še posebej so primerni za prenosne naprave, ki delujejo na baterije, v katerih podaljšujejo življenjsko dobo baterije in izboljšajo zanesljivost.
