Memahami rendah

Saat ini, perangkat elektronik telah menyusut ukurannya dari sebelumnya. Hal ini memungkinkan kami untuk mengemas berbagai fitur dalam perangkat portabel ringkas seperti jam tangan pintar, pelacak kebugaran, dan perangkat yang dapat dikenakan lainnya, ini juga membantu kami menerapkan perangkat IoT jarak jauh untuk pemantauan ternak, pelacakan aset, dll. Satu hal yang umum di antara semua perangkat portabel ini adalah bahwa mereka dioperasikan dengan baterai. Dan ketika perangkat dioperasikan dengan baterai, penting bagi insinyur desain untuk memilih komponen yang menghemat setiap mili-volt dalam desain mereka untuk menjalankan perangkat untuk waktu yang lebih lama dengan daya baterai yang tersedia. Salah satu komponen tersebut adalah Low-Dropout Voltage Regulator (LDO). Pada artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut tentang LDO dan cara memilih yang tepat untuk desain sirkuit Anda.

Apa itu Regulator dalam elektronika?

Regulator adalah suatu alat atau mekanisme yang dirancang dengan baik untuk mengatur sesuatu, disini biasanya mengacu pada tegangan arus. Ada dua jenis regulator yang terutama digunakan dalam elektronik, yang pertama adalah regulator switching dan yang kedua adalah regulator linier. Keduanya memiliki arsitektur dan subsistem kerja yang berbeda, tetapi kami tidak akan membahasnya di artikel ini. Tapi sederhananya, jika regulator mengendalikan arus keluaran maka itu disebut regulator arus. Dengan aspek yang sama, regulator tegangan digunakan untuk mengontrol tegangan.

Perbedaan antara LDO dan Regulator Linear

Regulator linier adalah perangkat yang paling umum digunakan untuk pengaturan catu daya dan kebanyakan dari kita akan terbiasa dengan perangkat seperti 7805, LM317. Namun, sisi negatif dari penggunaan Linear Regulator dalam aplikasi yang dioperasikan dengan baterai adalah bahwa di sini tegangan input dari regulator linier harus selalu lebih tinggi dari tegangan output yang diatur. Artinya, perbedaan antara tegangan input dan tegangan output tinggi. Oleh karena itu, regulator linier standar memiliki beberapa keterbatasan ketika tegangan keluaran yang diatur diperlukan untuk menjadi nilai dekat dari tegangan masukan.

Bekerja dari LDO

LDO adalah bagian dari dinasti regulator linier. Tetapi, tidak seperti regulator Linear normal, dalam LDO perbedaan antara tegangan input dan tegangan output lebih kecil. Perbedaan ini disebut tegangan putus sekolah. Karena LDO memiliki tegangan putus sekolah yang sangat rendah, itu disebut sebagai regulator tegangan putus rendah. Anda dapat menganggap LDO adalah resistor linier yang dipasang secara seri dengan beban untuk mengurangi tegangan ke level yang diperlukan. Keuntungan dari memiliki LDO adalah bahwa penurunan tegangan akan jauh lebih kecil daripada resistor.

Karena LDO menawarkan tegangan putus yang rendah antara masukan dan keluaran, LDO dapat bekerja bahkan jika tegangan masukan relatif dekat dengan tegangan keluaran. Penurunan tegangan pada LDO akan berada di antara maksimum 300mV hingga 1,5V. Di beberapa LDO, perbedaan tegangan bahkan kurang dari 300mV.

Gambar di atas menunjukkan konstruksi LDO sederhana di mana sistem loop tertutup dirancang. Tegangan referensi dibuat dari tegangan input dan diumpankan ke penguat diferensial. Tegangan keluaran dirasakan oleh pembagi tegangan dan diumpankan lagi ke pin masukan penguat diferensial. Bergantung pada dua nilai ini, keluaran dari tegangan referensi dan keluaran dari pembagi tegangan, penguat menghasilkan keluaran. Output ini mengontrol resistor variabel. Oleh karena itu, nilai siapa pun dari keduanya dapat mengubah output penguat. Di sini referensi tegangan diperlukan agar stabil agar dapat merasakan yang lain secara akurat. Ketika tegangan referensi stabil, variasi kecil dari tegangan keluaran mencerminkan masukan penguat diferensial melalui pembagi resistor.Penguat kemudian mengontrol resistor variabel untuk memberikan output yang stabil. Di sisi lain, referensi tegangan tidak bergantung pada tegangan input dan memberikan referensi yang stabil di seluruh penguat diferensial sehingga kebal terhadap perubahan transien dan juga membuattegangan keluaran tidak tergantung pada tegangan masukan. Resistor variabel yang ditunjukkan di sini biasanya akan diganti dengan MOSFET atau JFET yang efisien dalam konstruksi aktual. Transistor bipolar tidak digunakan dalam LDO karena persyaratan tambahan dari pembangkit arus dan panas yang menyebabkan efisiensi yang buruk.

Parameter yang perlu dipertimbangkan saat memilih LDO Anda

Fitur dasar

Karena ini adalah perangkat penting untuk memastikan pengiriman daya yang tepat ke beban, fitur utama pertama adalah pengaturan beban dan keluaran yang stabil. Pengaturan beban yang tepat sangat penting selama perubahan arus beban. Ketika beban naik atau turun itu konsumsi arus, tegangan keluaran dari regulator tidak boleh berfluktuasi. Fluktuasi tegangan keluaran diukur dalam kisaran mV per ampere arus dan disebut sebagai akurasi. The akurasi tegangan output dari LDO berkisar dari 5mV ke kisaran 50mV, beberapa persentase dari tegangan output.

Fitur Keamanan dan Perlindungan

LDO menawarkan fitur keselamatan dasar dengan memastikan pengiriman daya yang tepat di seluruh output. Fitur keselamatan diakomodasi menggunakan sirkuit perlindungan di seluruh input dan output. Sirkuit proteksi tersebut adalah Under-voltage Protection (UVLO), Over-voltage Protection (OVLO), proteksi lonjakan arus, proteksi hubung singkat keluaran, dan proteksi termal.

Dalam beberapa situasi, tegangan input yang diberikan ke regulator mungkin turun secara signifikan atau meningkat ke nilai tinggi. Hal ini mengakibatkan tegangan dan arus keluaran yang tidak tepat dari LDO yang akan merusak beban kita. Jika tegangan input melintasi LDO melebihi batas, perlindungan UVLO dan OVLO dipicu untuk melindungi LDO dan beban. Batas bawah untuk UVLO dan batas tegangan input maksimum dapat diatur menggunakan pembagi tegangan sederhana.

Sirkuit perlindungan lonjakan menawarkan kekebalan terhadap LDO dari transien dan lonjakan atau lonjakan tegangan tinggi. Ini juga merupakan fitur tambahan yang ditawarkan oleh LDO yang berbeda. Proteksi hubung singkat keluaran adalah salah satu bentuk proteksi arus lebih. Jika beban mengalami korsleting, fitur perlindungan hubung singkat dari LDO memutuskan beban dari catu daya input. Perlindungan termal bekerja saat LDO menjadi panas. Selama operasi pemanasan, sirkuit perlindungan termal menghentikan kerja LDO untuk mencegah kerusakan lebih lanjut.

Fitur tambahan

LDO dapat memiliki dua pin kontrol level logika tambahan untuk berkomunikasi dengan input mikrokontroler. Pin pengaktifan sering disebut sebagai EN dan ini adalah pin masukan dari LDO. Mikrokontroler sederhana dapat mengubah status pin EN dari LDO untuk mengaktifkan atau menonaktifkan keluaran daya. Ini adalah fitur praktis saat beban perlu dihidupkan atau dimatikan untuk tujuan aplikasi.

Pin Power Good merupakan pin keluaran dari LDO. Pin ini juga dapat dihubungkan dengan unit mikrokontroler untuk memberikan logika rendah atau tinggi tergantung dari kondisi daya. Berdasarkan status power good pin, unit mikrokontroler dapat memperoleh informasi tentang status daya melintasi LDO.

Batasan LDO

Meskipun LDO menawarkan output yang tepat pada tegangan putus listrik rendah, LDO masih memiliki beberapa keterbatasan. Batasan utama LDO adalah efisiensi. Memang benar bahwa LDO lebih baik daripada regulator linier standar dalam hal disipasi daya dan efisiensi tetapi masih merupakan pilihan yang buruk untuk operasi terkait baterai portabel di mana efisiensi menjadi perhatian utama. Efisiensi menjadi semakin buruk jika tegangan input secara signifikan lebih tinggi daripada tegangan output. Disipasi panas meningkat ketika penurunan tegangan lebih tinggi. Energi limbah berlebih yang diubah menjadi panas dan membutuhkan heatsink, mengakibatkan area PCB meningkat serta menimbulkan biaya komponen. Untuk efisiensi yang lebih baik, regulator switching masih menjadi pilihan terbaik dibandingkan regulator linier terutama LDO.

Haruskah saya menggunakan LDO untuk desain saya selanjutnya?

Karena LDO menawarkan tegangan putus sekolah yang sangat rendah, maka sebaiknya memilih LDO hanya jika tegangan keluaran yang diinginkan sangat dekat dengan tegangan masukan yang tersedia. Pertanyaan di bawah ini dapat membantu Anda menentukan apakah desain sirkuit Anda benar-benar membutuhkan LDO

1. Apakah tegangan keluaran yang diinginkan mendekati tegangan masukan yang tersedia? Jika ya, lalu berapa? Sebaiknya menggunakan LDO jika perbedaan antara tegangan input dan tegangan output kurang dari 300mV
2. Apakah efisiensi 50-60% diterima untuk aplikasi yang diinginkan?
3. Catu daya kebisingan rendah adalah kebutuhan?
4. Jika biayanya menjadi masalah dan sederhana, jumlah bagian yang lebih rendah, solusi hemat tempat diperlukan.
5. Apakah akan terlalu mahal dan besar untuk menambahkan sirkuit switching?

Jika Anda telah menjawab "YA" untuk semua pertanyaan di atas, LDO mungkin pilihan yang baik. Tapi, apa spesifikasi LDO itu? Itu tergantung pada parameter di bawah ini.

• Tegangan Output.
• Tegangan Input Minimum dan Maksimum.
• Arus keluaran.
• Paket LDO.
• Biaya dan ketersediaan.
• Opsi Aktifkan dan Nonaktifkan diperlukan atau tidak.
• Opsi perlindungan tambahan yang diperlukan untuk aplikasi. Seperti Perlindungan arus berlebih, UVLO, dan OVLO, dll.

LDO populer di pasar

Setiap produsen IC daya seperti Texas Instruments, Linear Technology, dll. Juga memiliki beberapa solusi untuk LDO. Texas Instruments memiliki berbagai LDO tergantung pada berbagai kebutuhan desain, bagan di bawah ini menunjukkan koleksi LDO yang sangat besar dengan berbagai macam arus keluaran dan tegangan masukan.

Demikian pula, teknologi Linear, dari perangkat Analog juga memiliki beberapa Regulator Putus Sekolah Rendah kinerja tinggi.

LDO - Contoh Desain

Mari pertimbangkan kasus praktis di mana LDO akan menjadi wajib. Misalkan solusi biaya rendah, sederhana, dan hemat ruang diperlukan untuk mengubah output baterai lithium 3.7V menjadi sumber yang stabil 3.3V 500mA dengan batas arus pendek dan perlindungan termal. Solusi daya perlu dihubungkan dengan mikrokontroler untuk mengaktifkan atau menonaktifkan beberapa beban dan efisiensinya bisa 50-60%. Karena kita membutuhkan solusi sederhana dan berbiaya rendah, kita dapat mengesampingkan desain regulator switching.

Baterai lithium dapat memberikan 4.2V selama kondisi pengisian penuh dan 3.2V pada kondisi kosong penuh. Oleh karena itu, LDO dapat dikontrol untuk melepaskan beban pada situasi tegangan rendah dengan merasakan tegangan input LDO oleh unit mikrokontroler.

Untuk meringkas yang kita butuhkan, tegangan keluaran 3.3V, arus 500mA, opsi Aktifkan pin, jumlah bagian rendah, persyaratan putus sekolah sekitar 300-400 mV, perlindungan hubung singkat keluaran bersama dengan fitur penghentian termal, untuk aplikasi ini pilihan pribadi saya LDO adalah MCP1825 - Pengatur tegangan tetap 3.3V oleh microchip.

Daftar fitur lengkap dapat dilihat pada gambar di bawah ini, diambil dari datasheet -

Di bawah ini adalah diagram rangkaian MCP1825 beserta pin- outnya. Skema juga disediakan dalam lembar data, sehingga dengan hanya menghubungkan beberapa komponen eksternal seperti resistor dan kapasitor kita dapat dengan mudah menggunakan LDO untuk mengatur tegangan yang diperlukan dengan dorp tegangan minimum.

LDO - pedoman desain PCB

Setelah Anda menentukan LDO dan mengujinya agar berfungsi dengan desain Anda, Anda dapat melanjutkan dengan mendesain PCB untuk sirkuit Anda. Berikut ini adalah beberapa tip yang harus Anda ingat saat mendesain PCB untuk komponen LDO.

1. Jika paket SMD digunakan, penting untuk menyediakan area tembaga yang tepat di PCB karena LDO menghilangkan panas.
2. Ketebalan tembaga merupakan kontributor utama operasi bebas masalah. Ketebalan 2 Oz (70um) tembaga akan menjadi pilihan yang baik.
3. C1 dan C2 harus sedekat mungkin dengan MCP1825.
4. Bidang tanah yang tebal diperlukan untuk masalah terkait kebisingan.
5. Gunakan Vias untuk pembuangan panas yang tepat pada PCB dua sisi.