Verwendung von LDOs im Vergleich zu Schaltreglern in Ihrer Leiterplatte

So sehr wir es uns auch wünschen, die Stromversorgung für Elektronik ist nicht immer stabil. Echte Stromquellen enthalten Störungen, sie können eine Leistungsinstabilität aufweisen oder unerwartet ausfallen. Glücklicherweise haben wir Spannungsregler, um einige dieser Probleme zu verhindern.

Für Geräte mit geringem Stromverbrauch sehen wir im Allgemeinen zwei Arten von Spannungsreglern: einen linearen Spannungsregler (manchmal auch als Low-Dropout-Regler oder LDO bezeichnet) oder einen Schaltregler. Sie können diese an verschiedenen Punkten entlang Ihres Strombusses kombinieren, aber es bleibt immer noch die Frage, ob Sie in Ihren Designs LDOs oder Schaltregler verwenden sollten und was der Unterschied zwischen linearen Reglern und Schaltreglern ist.

Wenn Sie sich jemals gefragt haben, wie diese Entscheidungen getroffen werden und wann welcher Typ von Regler verwendet werden sollte, dann wissen Sie, dass bei dieser Entscheidung mehr zu berücksichtigen ist als nur die Eingangs-/Ausgangsspannung/-strom. Lesen Sie weiter, um mehr über die Auswahl von linearen Spannungsreglern im Vergleich zu Schaltreglern für Ihre Designs mit geringem Stromverbrauch zu erfahren. Da wir uns in diesem Blog für PCB-Layouts interessieren, werde ich kurz besprechen, was im Layout geschehen muss, um LDOs oder Schaltregler zu unterstützen.

Lineare Spannungsregler vs. Schaltregler Vergleich

Bevor wir uns mit der Komponentenanordnung und dem Layout bei diesen Arten von Spannungsreglern beschäftigen, ist es am besten, sich daran zu erinnern, wie jede dieser Schaltungen funktioniert. Ein LDO-Schaltplan ist ein abwärts gerichteter linearer DC-DC-Spannungswandler, daher ist er am besten mit einem Abwärtswandler (Buck Converter) vergleichbar. Es gibt auch resistive lineare Regler oder Serien- und Shunt-Regler, die Transistoren verwenden, aber ich werde diese vorerst außen vor lassen, da sie nicht oft auf dem Strombus in einer PCB verwendet werden.

Niedrigabfallregler (LDO)

Ein LDO ist ein linearer Regler, der auf einem Operationsverstärker basiert. Die Schaltung funktioniert, indem sie die Ausgangsspannung des Reglers mit einer Referenzspannung (Silizium-Bandlückenreferenz mit ~1,25 V Ausgang) innerhalb einer Rückkopplungsschleife vergleicht. Die grundlegende Topologie wird unten gezeigt. Beachten Sie, dass in diesem Diagramm ein NPN-Transistor verwendet wird, aber in realen Schaltungen finden Sie normalerweise einen MOSFET.

Spielraum in einem LDO

Niedrigabfall-Spannungsregler verfügen über einen gewissen „Spielraum“, der auch als Dropout-Spannung bekannt ist. Dies ist eine kleine Spannung über der Nennausgangsspannung, die bestimmt, ob das Bauteil eingeschaltet wird. Solange V(in) - V(out) > Spielraum ist, wird das Bauteil die Nennausgangsspannung liefern. Der Spannungsteiler wird verwendet, um die Eingangsspannung herabzusetzen, sodass der Operationsverstärker (Op-Amp) diese mit der Referenzspannung (V-Ref) vergleichen kann. Es sei denn, Sie bauen einen LDO-Schaltkreis aus diskreten Komponenten auf, müssen Sie sich keine Gedanken über das Einrichten eines Op-Amp-Schaltkreises und die Auswahl von R1/R2 machen; diese sind in die Komponente integriert.

Schließlich sind C1 und C2 Filterkondensatoren, die die Spannungen am Eingang und Ausgang entsprechend bereinigen. Diese Werte werden den Spielraum nicht beeinflussen, obwohl sie dazu beitragen werden, Störungen am Eingang und Ausgang zu dämpfen. Der Op-Amp stellt die Ausgangsspannung des Reglers auf ein gewünschtes Niveau ein, solange die Eingangsspannung über dem Spielraum für den Regler liegt.

Abwärtswandler

Wie bereits erwähnt, lässt sich eine LDO-Schaltung am besten mit einem Buck-Konverter vergleichen, da beide Komponenten zur Spannungsreduzierung dienen. Das Ziel eines jeden Schaltwandlers ist einfach: eine stabile, jedoch einstellbare Ausgangsspannung zu erzeugen, indem der Strom und die Spannung, die an eine Last geliefert werden, mit einem Schaltelement moduliert werden. Normalerweise handelt es sich dabei um einen Leistungs-MOSFET, der mit einem PWM-Signal angesteuert wird, obwohl ein wesentlich größerer Regler wie ein resonanter LLC-Konverter mehrere MOSFETs parallel verwenden kann, um einen hohen Stromausgang zu liefern. In jedem Fall unterdrücken alle Buck-Regler Niederfrequenzschwankungen in der Eingangsspannung, aber der Ausgang wird aufgrund der Schaltaktion des MOSFETs einige Hochfrequenzgeräusche aufweisen, die in einer Simulation deutlich sichtbar sind.

LDO vs. Buck-Konverter Vergleich

Wann sollten Sie also jeden dieser Regler verwenden? Beide reduzieren eine Gleichspannung auf ein nützliches Niveau und filtern dabei Störungen heraus, also sollten sie austauschbar sein, oder? Tatsächlich sind sie manchmal austauschbar, aber das hängt vom benötigten Leistungsniveau und den Eigenschaften der Stromquelle ab. Die untenstehende Tabelle fasst einige der unterschiedlichen Aspekte jedes Typs dieser Schaltungen und ihre Vorteile zusammen.

Es gibt viel zu beachten in dieser Tabelle, aber ich werde mein Bestes tun, um hier einige Punkte zusammenzufassen.

1. LDOs sind geräuscharme Alternativen zu Schaltreglern. Sie sind einfacher zu entwerfen und tendieren dazu, weniger zu kosten.
2. LDOs werden manchmal stromabwärts von Schaltreglern verwendet, um die Spannung weiter auf ein niedriges Niveau zu reduzieren. Tatsächlich enthalten einige Schaltreglerkomponenten einen LDO am Ausgang; siehe ADP5037 als Beispiel.
3. Schaltregler können eine sehr präzise Spannungskontrolle bieten, die nur eine Anpassung der PWM-Taktfrequenz erfordert. Bei einem LDO-Regler ist die Steuerung passiv.

PCB-Layout für LDOs und Schaltregler

Dies ist ein ziemlich umfassendes Thema, da sich der PCB-Layout-Teil auf den Reglerkreis, den Strombus und die nachgeschalteten Lasten konzentrieren kann. Es gibt zwei Richtlinien, die ich bevorzuge zu befolgen:

• Achten Sie auf die erforderliche Leiterbahnbreite, um Ihren gewünschten Strom zu unterstützen, halten Sie den IR-Abfall gering und die Temperatur innerhalb sicherer Grenzen. Scheuen Sie sich nicht, Polygonfüllungen zu verwenden, wenn Sie mit hohem Strom arbeiten.
• Halten Sie Schleifeninduktanzen klein. Das bedeutet, Komponenten nah beieinander zu halten und Rückführungspfade auf der PCB nachzuzeichnen, um sicherzustellen, dass Sie kein EMI-Problem erzeugen.

Das Bild unten sollte verdeutlichen, was ich meine. Dieses Layout ist für einen Schaltregler, der mit 3 MHz arbeitet. Sie werden bemerken, dass der kritische Teil, nämlich die Schleife, die durch L2 und die Filterkondensatoren gebildet wird, einen engen kreisförmigen Rückweg zum nahegelegenen Masseflächen hat. Dies hilft, niedrige abgestrahlte EMI-Emissionen und -Empfang zu gewährleisten. Die gleichen Prinzipien gelten auch für einen LDO-Schaltkreis, obwohl wir uns in diesem Fall mehr um den Empfang von EMI sorgen, da kein Schalten stattfindet.

Häufig sieht man in Anwendungshinweisen für LDOs oder Schaltwandler Layoutbeispiele. Seien Sie vorsichtig mit diesen; sie mögen durchaus geeignet sein, um den Strom zu handhaben, aber es könnte ein EMI-Problem in ihrem Layout lauern. Diese EMI-Probleme in Anwendungshinweisen entstehen oft aus schlecht definierten Rückwegen oder dem Versäumnis, ein kompaktes Layout mit niedrigen Schleifeninduktanzen zu erstellen. Mark Harris zeigt ein großartiges Beispiel für ein kompaktes PCB-Layout für einen Schaltregler in einem kürzlichen Artikel, werfen Sie einen Blick darauf, um einige gute Richtlinien von einem erfahrenen Layout-Ingenieur zu sehen.

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