Podstawy regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO)
W jaki sposób używać regulatorów LDO w celu wydłużenia czasu pracy baterii w urządzeniach przenośnych i ubieralnych?
Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) z serii AP7361EA
Seria AP7361EA zawiera trzy alternatywne konfiguracje obwodu ukazane na ilustracji 3.
Ilustracja 3: W serii AP7361EA dostępne są urządzenia z ustalonymi lub nastawnymi napięciami wyjściowymi, posiadające sterowanie włączaniem lub nie. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)
Seria AP7361EA zawiera wersje z ustalonymi lub nastawnymi napięciami wyjściowymi. Wersje z ustalonymi napięciami posiadają wewnętrzne dzielniki napięcia i oferują poziomy napięcia 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 oraz 3,3V. Urządzenia z nastawnym wyjściem wymagają dostarczenia przez użytkownika zewnętrznego dzielnika napięcia i mają zakres napięć wyjściowych od 0,8 do 5V. Podana w specyfikacjach dokładność napięcia wyjściowego dla wszystkich wersji wynosi ±1%, a zakres napięć wejściowych wynosi od 2,2 do 6V.
Wersje ustalone lub nastawne mogą posiadać linię sterującą włączania (EN). Urządzenie AP7361EA jest włączane poprzez ustawienie stanu wysokiego na wtyku EN i wyłączane przez ustawienie na nim stanu niskiego. Jeżeli ta funkcja nie jest używana, wtyk EN powinien być połączony z wtykiem wejściowym (IN), aby zapewnić, że regulator będzie zawsze włączony. Czas odpowiedzi linii włączającej wynosi około 200µs dla włączania i około 50µs dla wyłączania.
Inną znaczącą różnicą pomiędzy urządzeniami AP7361EA jest fizyczna obudowa. Dostępne są obudowy U-DFN3030-8 (typ E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) oraz SO-8EP.
Tabela 1 zawiera porównanie kilku przykładowych urządzeń AP7361EA, w tym wersje z wyjściem ustalonym (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) i wyjściem nastawnym (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13).
Tabela 1: przykładowe konfiguracje urządzenia AP7361EA z napięciem ustalonym i nastawnym. (Źródło tabeli: Art Pini, na podstawie danych z firmy Diodes Inc.)
Wszystkie urządzenia z serii AP7361EA są zabezpieczone przed zwarciami i nadmiernymi prądami. Zabezpieczenia przed zwarciami i nadmiernymi prądami obejmują ograniczenie prądu podcięcia 400mA gdy prąd wyjściowy przekroczy wartość graniczną, zwykle 1.5 A. Wyłączanie termiczne następuje, gdy temperatura złącza w urządzeniu wzrośnie nominalnie do 150°C. Działanie jest przywracane, gdy spadnie ona do około 130°C.
Ilustracja 4, przykładowy wykres regulacji obciążenia dla napięcia wyjściowego 3,3V. Maksymalna zmienność wyjściowa wynosi około 0,15% czyli około 5,0mV przy zmianie obciążenia ze 100 do 500mA dla nominalnego napięcia wyjściowego 3,3V. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)
Ilustracja 5: Wykres regulacji linii dla urządzenia AP7361EA działającego z napięciem wyjściowym 3,3V. Zmiana napięcia wejściowego z 4,3 na 5,3V skutkuje 0,05% zmianą napięcia wyjściowego. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)
Regulacja linii i obciążenia
Regulacja obciążenia opisuje zdolność regulatora LDO do utrzymania napięcia wyjściowego pomimo zmian wyjściowego prądu obciążenia. Jest to ważne w urządzeniach przenośnych z zasilaniem bateryjnym, w których kontrolery często wyłączają nieużywane podsystemy. Specyfikacje serii AP7361EA regulatorów LDO określają maksymalną regulację obciążenia jako 1,5% dla poziomów wyjściowych od 1 do 1,2V oraz 1% dla poziomów od 1,2 do 3,3V (ilustracja 4).
Regulacja obciążenia jest obliczana jako stosunek maksymalnej zmiany napięcia wyjściowego do nominalnego napięcia wyjściowego. W powyższym przykładzie maksymalna zmiana napięcia wyjściowego wynosi około 5,0mV przy zmianie obciążenia ze 100mA do 500mA. Zatem regulacja obciążenia wynosi 0,005/3,3 czyli 0,15%
Zmienność linii określa zmienność wyjścia dla zmiany napięcia wejściowego na wolt napięcia wyjściowego. Specyfikacja serii AP7361EA określa maksymalną regulację linii jako 0,1%/V w temperaturze pokojowej oraz 0,2%/V w całym zakresie temperatur. Dla wyjścia 3,3V, zmiana napięcia wejściowego o 1V powinna powodować zmianę napięcia wyjściowego o mniej niż 0,33% nominalnego napięcia wyjściowego 3,3V (ilustracja 5).
Ilustracja 5 ukazuje charakterystykę regulacji linii w regulatorze napięcia o niskim spadku (LDO). Zmiana napięcia źródłowego z 4,3 na 5,3V skutkuje 0,05% zmianą poziomu wyjściowego, co daje około 1,65mV.
Należy zauważyć, że wyjście charakteryzuje się szybkim odzyskaniem prawidłowych parametrów po wystąpieniu stanów nieustalonych wynikłych ze zmiany zarówno w linii, jak i obciążeniu. Jest to ważne podczas procedur ponownego uruchamiania w urządzeniach przenośnych, gdzie magistrala zasilająca musi działać, zanim nastąpi ponowne uruchomienie wyłączonych obwodów.
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania
Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) są obwodami liniowymi, dlatego generują znacznie mniej zakłóceń niż zasilacze impulsowe (SMPS) i przetwornice mocy. W wielu zastosowaniach regulator LDO jest stosowany lokalnie na płytce drukowanej, jednak źródłem zasilania jest zasilacz impulsowy (SMPS). Dzięki wbudowanym systemom sterującym, regulator LDO ma zdolność tłumienia zakłóceń i tętnień pochodzących z wejściowego źródła zasilania. Miarą tego tłumienia zakłóceń jest współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) (ilustracja 6).
Ilustracja 6: współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) jest obliczany na podstawie sygnałów prądu zmiennego mierzonych na wejściu i wyjściu regulatora LDO. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)
Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) jest obliczany jako stosunek składowych prądu zmiennego na wejściu i na wyjściu, jak to ukazuje ilustracja 6. Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) dla serii AP7361EA jest uzależniony od częstotliwości i spada wraz z jej wzrostem. Współczynnik PSRR wynosi 75dB przy 1kHz i spada do 55dB przy częstotliwości 10kHz. 75dB odpowiada tłumieniu ponad 5600:1. Tętnienia 10mV lub sygnały zakłóceniowe o częstotliwości 1kHz zostaną stłumione do około 1,7µV.
Przykładowe zastosowanie
Typowe zastosowanie nastawnego regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) przedstawiono na ilustracji 7. Zawiera włączanie wyjścia podobnie do urządzenia AP7361EA-SPR-13, a także zewnętrzny dzielnik napięcia wyjściowego.
Ilustracja 7: Przykładowe użycie regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) z nastawnym wyjściem, wymagającego zewnętrznego dzielnika napięcia wyjściowego. Równanie (po prawej u dołu) określa zależność pomiędzy rezystorami R1 i R2 dla żądanego napięcia wyjściowego i wewnętrznego napięcia referencyjnego. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)
Wartości rezystancji w dzielniku rezystancyjnym można obliczyć przy użyciu równań w prawej dolnej części ilustracji 7. Aby zapewnić stabilność wewnętrznego źródła napięcia referencyjnego, wartość rezystora R2 powinna być mniejsza od 80kΩ. Dla wyjścia 2,4V przy napięciu referencyjnym 0,8V i rezystancji R2 równej 61,9kΩ, obliczona wartość rezystancji R1 wynosi 123,8kΩ. Odpowiedni będzie rezystor 124kΩ, 1%.
Podsumowanie
Regulatory LDO są liniowymi regulatorami napięcia, które działają przy niewielkiej różnicy napięć pomiędzy wejściem i wyjściem oraz przy niskich prądach spoczynkowych. Zapewniają one wysoką sprawność energetyczną przy niskich zakłóceniach i niewielkich rozmiarach. Szczególnie dobrze sprawdzają się w urządzeniach przenośnych z zasilaniem bateryjnym, gdzie wydłużają czas pracy baterii i zwiększają niezawodność.
Autor: Art Pini
Kontakt w Polsce: Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
0048 696 307 330
arkadiusz.rataj@digikey.com
poland.support@digikey.pl