Wykorzystanie stabilizatorów liniowych (LDO) w porównaniu do przetwornic impulsowych w Twojej płytce PCB

Chociaż byśmy tego chcieli, zasilanie, które dostarczamy do elektroniki, nie zawsze jest stabilne. Rzeczywiste źródła zasilania zawierają zakłócenia, mogą wykazywać niestabilność zasilania lub niespodziewanie przestać działać. Na szczęście mamy regulatory mocy, które pomagają zapobiegać niektórym z tych problemów.

Dla urządzeń o niskim poborze mocy zazwyczaj widzimy dwa typy regulatorów mocy: liniowy regulator napięcia (czasami nazywany regulatorem o niskim spadku napięcia lub LDO) lub regulator przełączający. Możesz mieszać i dopasowywać je w różnych punktach swojej magistrali zasilającej, ale nadal pozostaje kwestia wyboru między użyciem regulatorów LDO a regulatorami przełączającymi w twoich projektach oraz różnica między regulatorem liniowym a regulatorem przełączającym.

Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak podejmowane są te decyzje i kiedy używać każdego typu regulatora, wiedz, że w tej decyzji chodzi o coś więcej niż tylko patrzenie na napięcie/wejście prądu. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o wyborze liniowych regulatorów napięcia w porównaniu z regulatorami przełączającymi dla twoich projektów o niskim poborze mocy. Ponieważ interesują nas układy PCB na tym blogu, krótko omówię, co musi się wydarzyć w układzie, aby wspierać LDO lub regulatory przełączające.

Porównanie liniowych regulatorów napięcia i regulatorów przełączających

Zanim przejdziemy do układania i projektowania komponentów przy użyciu tego typu regulatorów mocy, warto przypomnieć sobie, jak działają te obwody. Schemat LDO to krokowy, liniowy przetwornik napięcia DC-DC, więc najlepiej porównać go do przetwornika typu buck. Istnieją również liniowe regulatory rezystancyjne lub regulatory szeregowe i równoległe wykorzystujące tranzystory, ale na razie je pominę, ponieważ rzadko są używane na magistrali zasilającej w PCB.

Regulator o niskim spadku napięcia (LDO)

LDO to liniowy regulator oparty na wzmacniaczu operacyjnym. Obwód działa, porównując wyjście regulatora i napięcie referencyjne (referencja pasma przerwy krzemowej z wyjściem ~1,25 V) w pętli sprzężenia zwrotnego. Podstawowa topologia jest pokazana poniżej. Zauważ, że na tym schemacie użyto tranzystora NPN, ale w rzeczywistych obwodach zazwyczaj znajdziesz MOSFET.

Swobodne napięcie w LDO

Regulatory niskiego spadku napięcia mają pewną "przestrzeń roboczą", znaną również jako napięcie spadku, które jest małym napięciem powyżej nominalnego napięcia wyjściowego, decydującym o tym, czy komponent zostanie włączony. Dopóki V(in) - V(out) > Przestrzeń robocza, komponent będzie dostarczał nominalne napięcie wyjściowe. Dzielnik napięcia jest używany do obniżenia napięcia wejściowego, tak aby wzmacniacz operacyjny mógł porównać go z napięciem odniesienia (V-Ref). Chyba że budujesz obwód LDO z dyskretnych komponentów, nie musisz martwić się o konfigurację obwodu wzmacniacza operacyjnego i wybór R1/R2; te elementy są zintegrowane z komponentem.

Ostatecznie, C1 i C2 to kondensatory filtrujące, które oczyszczają napięcia na wejściu i wyjściu, odpowiednio. Te wartości nie wpłyną na przestrzeń roboczą, chociaż pomogą tłumić szumy na wejściu i wyjściu. Wzmacniacz operacyjny ustawia wyjście regulatora na pożądany poziom, dopóki napięcie wejściowe jest powyżej przestrzeni roboczej dla regulatora.

Przetwornica typu Buck

Jak wspomniano powyżej, obwód LDO najlepiej porównać z przetwornicą typu buck, ponieważ oba są komponentami obniżającymi napięcie. Celem każdej przetwornicy impulsowej jest prosty: wyprodukować stabilne, lecz regulowane napięcie wyjściowe, modulując prąd i napięcie dostarczane do obciążenia za pomocą elementu przełączającego. Zazwyczaj jest to tranzystor MOSFET sterowany sygnałem PWM, chociaż znacznie większy regulator, taki jak rezonansowy przetwornik LLC, może używać kilku równoległych MOSFETów do dostarczania wysokiego prądu wyjściowego. W każdym przypadku wszystkie regulatory typu buck będą tłumić niskoczęstotliwościowe zmiany napięcia wejściowego, ale na wyjściu pojawi się pewien szum wysokoczęstotliwościowy spowodowany działaniem przełączającym MOSFET, co można jasno zobaczyć w symulacji.

Porównanie LDO i przetwornicy Buck

Kiedy więc powinieneś używać każdego z tych regulatorów? Obie obniżają napięcie stałe do użytecznego poziomu, jednocześnie eliminując szumy, więc czy nie powinny być wymienne? W rzeczywistości czasami są wymienne, ale zależy to od potrzebnego poziomu mocy i charakterystyk źródła zasilania. Poniższa tabela podsumowuje niektóre z różnych aspektów każdego typu tych obwodów i ich zalet.

Jest tu wiele informacji, ale postaram się podsumować kilka punktów.

1. LDO to ciche alternatywy dla regulatorów impulsowych. Są prostsze w rozmieszczeniu i zazwyczaj kosztują mniej.
2. LDO czasami są używane w dół prądu od regulatorów impulsowych, aby dalej obniżyć napięcie do niskiego poziomu. W rzeczywistości, niektóre komponenty regulatorów impulsowych zawierają LDO na wyjściu; zobacz ADP5037 jako przykład.
3. Regulatory impulsowe mogą zapewnić bardzo precyzyjną kontrolę napięcia, która wymaga jedynie dostosowania częstotliwości sterowania PWM. W regulatorze LDO kontrola jest pasywna.

Układ PCB dla LDO i regulatorów impulsowych

To dość szczegółowy temat, ponieważ część dotycząca układu PCB może skupiać się na obwodzie regulatora, magistrali zasilającej i obciążeniach w dół prądu. Istnieją dwie wytyczne, których preferuję przestrzegać:

• Zwracaj uwagę na szerokość ścieżki wymaganą do obsługi pożądanego prądu, utrzymuj spadek IR na niskim poziomie i temperaturę w bezpiecznych granicach. Nie bój się używać wylewki poligonowej, gdy pracujesz przy wysokim prądzie.
• Utrzymuj małe indukcyjności pętli. Oznacza to trzymanie komponentów blisko siebie i śledzenie ścieżek powrotnych na PCB, aby upewnić się, że nie tworzysz problemu z EMI.

Poniższy obraz powinien zilustrować, o co mi chodzi. Układ ten jest przeznaczony dla regulatora przełączającego pracującego na częstotliwości 3 MHz. Zauważysz, że krytyczna część, mianowicie pętla utworzona przez L2 i kondensatory filtrujące, ma ścisłą okrężną ścieżkę powrotną do pobliskiej masy. Pomaga to zapewnić niską emisję i odbiór promieniowanego EMI. Te same zasady dotyczą układu LDO, chociaż w tym przypadku bardziej martwimy się odbiorem EMI, ponieważ nie ma przełączania.

Często można zobaczyć przykłady układów w notach aplikacyjnych dla LDO lub przetwornic przełączających. Bądź ostrożny z nimi; mogą być w porządku, jeśli chodzi o przepływ prądu, ale może w nich czaić się problem z EMI. Te problemy z EMI w notach aplikacyjnych często wynikają ze źle zdefiniowanych ścieżek powrotnych lub niepowodzenia w stworzeniu kompaktowego układu o niskich indukcyjnościach pętli. Mark Harris pokazuje świetny przykład kompaktowego układu PCB dla regulatora przełączającego w niedawnym artykule, spójrz, aby zobaczyć kilka dobrych wytycznych od doświadczonego inżyniera układów.

Po podjęciu decyzji między regulatorami napięcia liniowego a przetwornicami w układzie PCB, użyj najlepszego zestawu narzędzi CAD i funkcji zarządzania komponentami w Altium Designer® do umieszczania i trasowania Twoich projektów. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów. To tylko wierzchołek góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu aby uzyskać bardziej szczegółowy opis funkcji lub obejrzeć jedno z Webinarów na Żądanie.