LDO-circuit:de basis, werkingsprincipe en toepassingen

Ontwerpt u een energieregelstrategie voor uw PCB? Of ben je bezig met het maken van een aangepaste voeding voor je bord? Zo ja, dan is het van vitaal belang om na te denken over de beste manier om het vermogen dat u naar uw componenten stuurt te regelen. En dit is van toepassing, vooral als u te maken hebt met snelle digitale systemen. Dus, maakt de stroombron uit? Of u nu stroom krijgt van een netspanning of batterij:het is van belang om het ingangsvermogen op het beste niveau voor uw systeem te regelen. Als u bijvoorbeeld stroom van een batterij gebruikt, is een LDO-circuit ideaal. En het is omdat de lineaire regelaar voldoende spanning levert. Bovendien biedt het een lagere constante spanning vanaf de ingangsspanning.

Dat gezegd hebbende, zullen we meer over de LDO praten door de elementen, werkingsprincipes, toepassingen en meer te benadrukken.

Laten we beginnen!

Wat is LDO?

LDO is een acroniem dat Low Dropout betekent. Je kunt het ook een lineaire regelaar van het verzadigings- of verliesarme type noemen. En het werkt bij een lage PD (potentiaalverschil) tussen ingangs- en uitgangsspanning.

De LDO-regelaar kan alleen ingangsspanningen aan die iets groter zijn dan de gewenste uitgangsspanning. En dat komt omdat het apparaat een step-down DC-DC-converter is met een variabele ingangsspanning. De uitvalspanning verwijst dus naar de minste variantie die de ingangs- en voorkeursuitgangsspanning of voedingsingang met elkaar verbindt.

Verder, ongeacht de lage energie-efficiëntie van het apparaat, kan het stabiel werken met een lage uitvalspanning van ~1V. De lineaire spanningsregelaar kan ook verschillende spanningsniveaus bieden met een stabiele en constante output.

Bovendien is de uitgangsspanning van de LDO onafhankelijk van de ontlading, temperatuur, vermogensverlies en belastingsimpedantie van de batterij. Uw Li-ion-accu heeft bijvoorbeeld een inkomend voedingsbereik van 2,7 V tot 4,2 V. De 2,7V betekent een volledig ontladen batterij, terwijl de 4,7V een volledig opgeladen batterij is. Dus als je batterijspanning onder de 3V daalt, kan de LDO je output op 2,5V houden.

Wat zijn de elementen van de LDO-regulator?

De elementen of belangrijkste componenten van een LDO omvatten:

Fout versterker

Fout versterker in schakelschema

Bron:Wikimedia Commons

Als u van plan bent de foutversterker van de LDO te ontwerpen, is het van vitaal belang om de laagst mogelijke stroom te trekken. Waarom? Omdat de poortcapaciteit van de pass-transistor groot is. Daarom moet de uitgangsweerstand van de versterker erg laag zijn.

Ook heeft de foutversterker twee ingangen. De eerste is wanneer de spanningsdeler de uitgangsspanning lager schaalt. Dan is de referentiespanning de volgende. Dus als het klaar is met het vergelijken van beide ingangen, zal de foutversterker de weerstand van het pass-element wijzigen.

Element passeren

Geef element door in schakelschema

Bron:Wikimedia Commons

De foutversterker stuurt het doorlaatelement binnen de terugkoppellus. En het pass-element helpt om de spanning van de ingang naar de belasting te verplaatsen. Bovendien kunt u de NMOS en PMOS als paselementen gebruiken.

Als je het circuit van dichtbij bekijkt, zul je merken dat de V_o(s) maak verbinding met de V_1(s) . Verder heeft de PMOS-transistor een minimale spanning nodig om correct te regelen en blijft deze doorweekt.

En de minste drain-source spanning V_2(s) is verantwoordelijk voor het geven van de minste spanning. Maar het is belangrijk op te merken dat het PMOS-doorlaatelement niet ideaal is voor apparaten met extreem laag voltage.

U kunt ook een lage uitvalspanning, uitvoer en invoer krijgen met de NMOS-transistor. Het pass element-based (NMOS) LDO-voordeel is dat de output van de regelaar zich in de bron van de transistor bevindt. Bovendien gaat de NMOS naar de configuratie van de bronvolger.

Spanningsreferentie

Dit element verwijst naar het startpunt van elke regelaar omdat het het werkpunt van de foutversterker instelt. U kunt ook een spanningsreferentie van het bandgap-type gebruiken, aangezien deze het mogelijk maakt om bij lage voedingsspanningen te werken.

Uitgangscondensator

Krachtige uitgangscondensator

Bron:Wikimedia Commons

In het geval van belastingstransiënten, stelt de uitgangscondensator de LDO in staat om stroom binnen de belasting te verplaatsen - en de foutversterker wordt ingesteld.

Ook speelt de ESR van de condensator een grote rol omdat het de spanningsstroom die vanuit de condensator naar de belasting gaat, beperkt. Dus als u werkt met een condensator van 1 µF met een ESR-bereik (10 tot 300 m Ohm), kunt u de volgende condensatortypen gebruiken:

• Lage-ESR tantaalcondensatoren
• Keramische condensatoren
• Polymeer elektrolytische condensatoren

Feedback

Dit element helpt u om de uitgangsspanning te verlagen. Bovendien maakt het de vergelijking tussen referentie- en uitgangsspanning mogelijk met behulp van de foutversterker.

Kenmerken van de LDO

1. De geluidsarme regelaar kan een constante spanning afgeven. En het doet dit zonder te worden beïnvloed door de verandering van de ingangsspanning. De LDO is dus perfect voor het leveren van spanning aan apparaten die gevoelig zijn voor ruis.
2. Het apparaat vereist enkele externe componenten (weerstanden of condensatoren).
3. LDO heeft een stroombegrenzingsfunctie die systemen beschermt tegen overmatige hitte.
4. LDO heeft een uitgangsontladingscircuit dat helpt om snel te ontladen en de spanning van de uitgangsklem dicht bij de IC GND te verlagen.
5. Het apparaat heeft een thermische uitschakelfunctie en helpt vernietiging en achteruitgang te voorkomen.

Hoe werkt de LDO?

LDO spanningsregelaar schakelschema

De belangrijkste componenten van de LDO zijn de referentiespanningsbron, het doorlaatelement en de foutversterker. En het pass-element is ofwel een P-kanaal FET of N-kanaal. Het begint dus met het toepassen van de ingangsspanning op het doorlaatelement (N-kanaaltransistor).

Vervolgens werkt de transistor in een lineair gebied om de ingangsspanning te verlagen. Dit proces gaat door totdat de ingangsspanning de gewenste uitgangsspanning bereikt. Op dit punt herkent de foutversterker de resulterende uitgangsspanning. Daarna vergelijkt de foutversterker de twee parameters (uitgangs- en referentiespanning).

Ook zal de foutversterker de poort van de FET veranderen naar het juiste werkpunt. Daarom helpt het ervoor te zorgen dat de uitgang een nauwkeurige spanning heeft. Daarom zal de foutversterker de FET aanpassen om een ​​constante uitgangsspanning te hebben wanneer de ingangsspanning verandert.

Wat gebeurt er als de bedrijfsomstandigheden in een stabiele toestand zijn? Welnu, de LDO zal fungeren als een eenvoudige weerstand. Bovendien kunt u de regelaar in- of uitschakelen met de Enable-pin. Deze functie helpt gebruikers batterijgebruik te vermijden, wanneer de LDO niet in gebruik is.

Wanneer gebruikt u een LDO?

1. Als je een breed ingangsspanningsbereik hebt, is de LDO ideaal. Het is echter essentieel om te overwegen om een ​​stabiele uitgangsspanning van de voeding te krijgen. Ook hoeft u het PWM-signaal in de feedbacklus niet aan te passen. En dat komt omdat de componenten geen terugkoppeling naar het schakelelement nodig hebben.
2. Je kunt een LDO gebruiken wanneer je systeem een ​​constant uitgangsvermogen moet hebben, ongeacht de daling van de ingangsspanning.
3. De LDO is ook handig om de output te verminderen zodat deze overeenkomt met de gewenste uitgangsspanning.

Andere geavanceerde LDO-circuits

Een geavanceerde LDO is bedoeld om een ​​door de gebruiker te selecteren referentiespanning te geven. Deze functie maakt het apparaat programmeerbaar.

Doorgaans kan de LDO hoge frequenties overslaan naar aarde. En dat allemaal dankzij de shuntcondensator diagonaal op de uitgang. Maar circuitontwerpers besteden meer aandacht aan het filteren van de output van een meertrapsregelaar. Helaas richten ze zich niet op invoerfiltering.

Daarom kunt u uw LDO een boost geven met EMI-filters. Op die manier is uw apparaat EMC/CISPR-compatibel. Interessant is dat deze functie cruciaal is voor het produceren van hogere-orde harmonischen met schakelende regelaars.

Verder kunt u ook andere noodzakelijke aspecten toevoegen om de stroomverdeling voor uw systeem te verbeteren (analoog en digitaal).

Belangrijke parameters om een ​​LDO te selecteren

Hier zijn belangrijke parameters waarmee u rekening moet houden voordat u een LDO kiest:

Belastingsregeling

Deze parameter verwijst naar het vermogen van het circuit om een ​​bepaalde uitgangsspanning aan te houden onder verschillende belastingsomstandigheden.

Belastingsregeling =∆Vout/ ∆Iout

Rustige stroom

Rust is een toestand van rust. Vandaar dat een ruststroom is wanneer een systeem stroom trekt in de standby-modus. Dit gebeurt ook alleen wanneer een batterij verbinding maakt met uw apparaat.

Voorbijgaande reactie

Transiënte respons beschrijft het hoogst toegestane uitgangsspanningsverschil voor een stapsgewijze verandering van de belastingstroom. U kunt ook de regelstaprespons oproepen. En deze parameter is een functie van het volgende:

Maximale belastingstroom (I_{out max} )

ESR van de uitgangscondensator

Uitgangscondensatorwaarde (C_uit )

Bypass-condensator (C_b )

De vergelijking van de tijdelijke respons is:

∆Vtr, max =(Iout, max / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR

Lijnregulering

Lijnregeling is het vermogen van een circuit om een ​​bepaalde uitgangsspanning te behouden met een verschillende ingangsspanning. En je kunt het uitdrukken als:

Lijnregulering =∆Vout / ∆Vin

PSRR (Power Supply Rejection Ratio)

De PSSR van een LDO is wanneer het apparaat AC-elementen kan weggooien. Een goed voorbeeld van wisselstroomelementen is rimpelspanning. Je kunt het dus uitdrukken met de onderstaande vergelijking:

PSRR (dB) =20 log (Vripple (in)/ Vripple (uit))

Toepassingen van LDO Circuit

U kunt het LDO-circuit in de volgende toepassingen gebruiken:

• Hoogrendement lineaire voedingen
• Computers
• SMPS-postregelaar en DC/DC-modules
• Draadloze en bekabelde communicatie
• Auto-applicatie
• Apparaten op batterijen
• VPP-regelgeving/ PCMCIA VCC
• Industriële toepassing
• Digitale kernvoorziening

Laatste woorden

Het LDO-circuit speelt een belangrijke rol in de elektronica-industrie. De meeste voedingen hebben immers een lineaire regelaar nodig om een ​​gewenste spanning te krijgen. Het apparaat is dus ideaal voor projecten die een constant uitgangsvermogen vereisen, ongeacht de daling van de ingangsspanning.

U kunt ook naar het schakelschema verwijzen om de belangrijkste componenten te begrijpen. Wat vindt u van de LDO-toezichthouders? Neem gerust contact met ons op voor meer informatie.