Использование LDO по сравнению с Импульсными Регуляторами в Вашей Печатной Плате

Хотим мы того или нет, но мощность, которую мы подаем на электронику, не всегда стабильна. Реальные источники питания содержат помехи, могут проявлять нестабильность мощности или неожиданно отключаться. К счастью, у нас есть регуляторы напряжения, которые помогают предотвратить некоторые из этих проблем.

Для устройств с низким потреблением мощности мы обычно видим два типа регуляторов напряжения: линейный регулятор напряжения (иногда называемый регулятором с низким падением напряжения или LDO) или импульсный регулятор. Вы можете комбинировать их на разных участках вашей шины питания, но все же остается вопрос выбора между использованием LDO и импульсных регуляторов в ваших проектах, а также различия между линейными регуляторами и импульсными регуляторами.

Если вы когда-либо задумывались, как принимаются эти решения и когда использовать каждый тип регулятора, знайте, что в этом решении есть больше, чем просто смотреть на входное/выходное напряжение/ток. Продолжайте читать, чтобы узнать больше о выборе линейных регуляторов напряжения против импульсных регуляторов для ваших проектов с низким потреблением мощности. Поскольку нас интересуют разводки печатных плат в этом блоге, я кратко обсужу, что необходимо сделать в разводке, чтобы поддержать LDO или импульсные регуляторы.

Сравнение линейных регуляторов напряжения и импульсных регуляторов

Перед тем как перейти к расположению компонентов и планировке с использованием этих типов регуляторов напряжения, полезно напомнить, как работает каждая из этих схем. Схема LDO представляет собой линейный понижающий DC-DC преобразователь напряжения, поэтому его лучше всего сравнивать с преобразователем типа "buck". Существуют также резистивные линейные регуляторы или последовательные и шунтирующие регуляторы, использующие транзисторы, но я пока оставлю их в стороне, поскольку они не часто используются на шине питания в печатной плате.

Регулятор с низким падением напряжения (LDO)

LDO - это линейный регулятор, основанный на операционном усилителе. Схема работает, сравнивая выходное напряжение регулятора и опорное напряжение (опорное напряжение на основе кремниевого перехода с выходом ~1.25 В) внутри обратной связи. Базовая топология показана ниже. Обратите внимание, что на этой диаграмме используется транзистор NPN, но в реальных схемах обычно встречается MOSFET.

Запас по напряжению в LDO

Регуляторы напряжения с низким падением напряжения имеют некоторый "зазор", также известный как падение напряжения, которое представляет собой небольшое напряжение выше номинального выходного, определяющее, будет ли компонент включаться. До тех пор, пока V(in) - V(out) > Зазор, компонент будет выдавать номинальное выходное напряжение. Делитель напряжения используется для понижения входного напряжения, так что операционный усилитель может сравнить его с опорным напряжением (V-Ref). Если вы не собираетесь строить схему LDO из дискретных компонентов, вам не нужно будет беспокоиться о настройке схемы операционного усилителя и выборе R1/R2; эти элементы интегрированы в компонент.

Наконец, C1 и C2 являются фильтрующими конденсаторами, которые очищают напряжения на входе и выходе соответственно. Эти значения не повлияют на зазор, хотя они помогут снизить шум на входе и выходе. Операционный усилитель устанавливает выходное напряжение регулятора на желаемый уровень, до тех пор, пока входное напряжение выше зазора для регулятора.

Преобразователь типа "понижающий"

Как было упомянуто выше, схему LDO лучше всего сравнивать с преобразователем типа "buck", поскольку оба они являются компонентами понижающего типа. Цель любого коммутируемого преобразователя проста: производить стабильное, но регулируемое, выходное напряжение, модулируя ток и напряжение, подаваемые на нагрузку, с помощью коммутирующего элемента. Обычно это мощный MOSFET, управляемый сигналом ШИМ, хотя для более крупного регулятора, например, резонансного преобразователя LLC, может использоваться несколько MOSFETов, соединенных параллельно, для обеспечения высокого выходного тока. В любом случае, все регуляторы типа "buck" будут подавлять низкочастотные колебания входного напряжения, но на выходе будет некоторый высокочастотный шум из-за коммутирующего действия MOSFET, который можно четко увидеть в симуляции.

Сравнение LDO и преобразователя Buck

Так когда же следует использовать каждый из этих регуляторов? Оба они понижают постоянное напряжение до полезного уровня, одновременно очищая шум, так не должны ли они быть взаимозаменяемы? На самом деле, иногда они взаимозаменяемы, но это зависит от необходимого уровня мощности и характеристик источника питания. В таблице ниже приведены некоторые аспекты каждого типа этих схем и их преимущества.

В этой таблице много информации, но я постараюсь кратко изложить несколько моментов здесь.

1. LDO являются малошумящими альтернативами импульсным регуляторам. Они проще в разводке и обычно стоят дешевле.
2. LDO иногда используются после импульсных регуляторов для дополнительного понижения напряжения до низкого уровня. Фактически, некоторые компоненты импульсных регуляторов включают LDO на выходе; см. ADP5037 в качестве примера.
3. Импульсные регуляторы могут обеспечивать очень точное управление напряжением, которое требует только регулировки частоты ШИМ. В регуляторе LDO управление является пассивным.

Разводка печатных плат для LDO и импульсных регуляторов

Это довольно глубокая тема, поскольку раздел разводки печатной платы может сосредоточиться на схеме регулятора, шине питания и нагрузках вниз по течению. Есть два правила, которым я предпочитаю следовать:

• Обращайте внимание на необходимую ширину дорожки для поддержки желаемого тока, поддерживайте низкое падение напряжения IR и температуру в безопасных пределах. Не бойтесь использовать заливку полигоном, когда работаете с высоким током.
• Держите индуктивности петли малыми. Это означает, что компоненты должны быть расположены близко друг к другу и трассировка обратных путей на печатной плате должна обеспечивать отсутствие проблем с ЭМИ.

На изображении ниже показано то, что я имею в виду. Этот макет предназначен для импульсного регулятора, работающего на частоте 3 МГц. Вы заметите, что критическая часть, а именно петля, созданная L2 и фильтрующими конденсаторами, имеет плотный круговой возвратный путь к ближайшему заземлению. Это помогает обеспечить низкое излучение и прием электромагнитных помех. Те же принципы применимы и к схеме LDO, хотя в этом случае нас больше беспокоит прием ЭМИ, поскольку переключения нет.

Часто можно увидеть примеры макетов в приложениях к техническим заметкам для LDO или импульсных преобразователей. Будьте осторожны с ними; они могут быть вполне пригодными для работы с током, но в их макете может скрываться проблема с ЭМИ. Эти проблемы с ЭМИ в технических заметках часто возникают из-за плохо определенных возвратных путей или неудачи в создании компактного макета с низкими петлевыми индуктивностями. Марк Харрис показывает отличный пример компактного макета печатной платы для импульсного регулятора в недавней статье, посмотрите, чтобы увидеть некоторые хорошие рекомендации от опытного инженера по макетированию.

После того, как вы решите между линейными и импульсными регуляторами напряжения для вашей печатной платы, используйте лучший набор инструментов CAD и функций управления компонентами в Altium Designer® для размещения и трассировки ваших проектов. Когда вы закончите проектирование и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упростит сотрудничество и обмен проектами. Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.