Sử dụng LDO so với Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch trong PCB của Bạn

Dù chúng ta mong muốn, nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện tử không phải lúc nào cũng ổn định. Nguồn điện thực tế chứa nhiễu, có thể biểu hiện sự không ổn định về nguồn, hoặc đột ngột mất điện. May mắn thay, chúng ta có các bộ điều chỉnh nguồn để giúp ngăn chặn một số vấn đề này.

Đối với các thiết bị công suất thấp, chúng ta thường thấy hai loại bộ điều chỉnh nguồn: bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính (đôi khi được gọi là bộ điều chỉnh giảm áp thấp hay LDO) hoặc bộ điều chỉnh chuyển mạch. Bạn có thể kết hợp chúng ở các điểm khác nhau dọc theo dây nguồn của mình, nhưng vẫn còn vấn đề là lựa chọn sử dụng LDO hay bộ điều chỉnh chuyển mạch trong thiết kế của bạn, và sự khác biệt giữa bộ điều chỉnh tuyến tính và bộ điều chỉnh chuyển mạch.

Nếu bạn từng tự hỏi những quyết định này được đưa ra như thế nào và khi nào sử dụng từng loại bộ điều chỉnh, hãy biết rằng quyết định này không chỉ đơn giản là nhìn vào điện áp/ dòng điện đầu vào/đầu ra. Hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu thêm về việc lựa chọn bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính so với bộ điều chỉnh chuyển mạch cho thiết kế công suất thấp của bạn. Vì chúng tôi quan tâm đến bố trí PCB trên blog này, tôi sẽ nhanh chóng thảo luận về những gì cần xảy ra trong bố trí để hỗ trợ LDOs hoặc bộ điều chỉnh chuyển mạch.

So sánh Bộ Điều Chỉnh Điện Áp Tuyến Tính và Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch

Trước khi đi vào sắp xếp và bố trí linh kiện với các loại bộ điều chỉnh công suất này, tốt nhất là nhớ lại cách hoạt động của từng mạch này. Sơ đồ của LDO là một bộ chuyển đổi điện áp DC-DC tuyến tính giảm áp, vì vậy nó được so sánh tốt nhất với bộ chuyển đổi buck. Cũng có các bộ điều chỉnh tuyến tính dựa trên điện trở hoặc các bộ điều chỉnh loạt và song song sử dụng transistor, nhưng tôi sẽ để chúng qua một bên vào lúc này vì chúng không thường được sử dụng trên bus điện trong một PCB.

Bộ Điều Chỉnh Giảm Áp Thấp (LDO)

Một LDO là một bộ điều chỉnh tuyến tính dựa trên op-amp. Mạch hoạt động bằng cách so sánh đầu ra của bộ điều chỉnh và một điện áp tham chiếu (tham chiếu băng rộng silicon với đầu ra ~1.25 V) trong một vòng lặp phản hồi. Topology cơ bản được hiển thị dưới đây. Lưu ý rằng một transistor NPN được sử dụng trong sơ đồ này, nhưng bạn sẽ thường tìm thấy MOSFET trong các mạch thực tế.

Khoảng Trống trong một LDO

Các bộ điều chỉnh điện áp thấp có một số "khoảng trống," còn được biết đến là điện áp sụt, đây là một điện áp nhỏ hơn so với điện áp đầu ra danh nghĩa xác định liệu thành phần có được bật hay không. Miễn là V(in) - V(out) > Khoảng trống, thì thành phần sẽ cung cấp điện áp đầu ra danh nghĩa. Bộ chia điện áp được sử dụng để giảm điện áp đầu vào sao cho op-amp có thể so sánh nó với điện áp tham chiếu (V-Ref). Trừ khi bạn đang xây dựng một mạch LDO từ các thành phần rời rạc, bạn sẽ không cần phải lo lắng về việc thiết lập một mạch op-amp và lựa chọn R1/R2; những thành phần này đã được tích hợp vào trong thành phần.

Cuối cùng, C1 và C2 là các tụ lọc giúp làm sạch điện áp ở đầu vào và đầu ra tương ứng. Các giá trị này sẽ không ảnh hưởng đến khoảng trống, mặc dù chúng sẽ giúp giảm tiếng ồn trên đầu vào và đầu ra. Op-amp thiết lập điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh ở một mức mong muốn miễn là điện áp đầu vào cao hơn khoảng trống cho bộ điều chỉnh.

Bộ Chuyển Đổi Buck

Như đã đề cập ở trên, mạch LDO được so sánh tốt nhất với bộ chuyển đổi buck vì cả hai đều là thành phần giảm áp. Mục tiêu của bất kỳ bộ chuyển đổi chuyển mạch nào là đơn giản: tạo ra một điện áp đầu ra ổn định, nhưng có thể điều chỉnh, bằng cách điều chỉnh dòng điện và điện áp cung cấp cho tải với một phần tử chuyển mạch. Thông thường đây là một MOSFET công suất được điều khiển bằng tín hiệu PWM, mặc dù một bộ điều chỉnh lớn hơn nhiều như bộ chuyển đổi LLC cộng hưởng có thể sử dụng nhiều MOSFET song song để cung cấp dòng điện cao. Dù trong trường hợp nào, tất cả các bộ điều chỉnh buck đều sẽ giảm biến động tần số thấp trong điện áp đầu vào, nhưng đầu ra sẽ có một số nhiễu tần số cao do hành động chuyển mạch của MOSFET, điều này có thể được thấy rõ trong mô phỏng.

So sánh LDO và Buck Converter

Vậy bạn nên sử dụng bộ điều chỉnh nào trong những trường hợp này? Cả hai đều giảm điện áp DC xuống một mức hữu ích trong khi loại bỏ nhiễu, vậy chúng không phải là có thể thay thế cho nhau sao? Thực ra, chúng đôi khi có thể thay thế cho nhau, nhưng điều đó phụ thuộc vào mức công suất bạn cần và đặc tính của nguồn điện. Bảng dưới đây tóm tắt một số khía cạnh khác nhau của từng loại mạch này và ưu điểm của chúng.

Có rất nhiều điều diễn ra trong bảng này, nhưng tôi sẽ cố gắng tóm tắt một vài điểm ở đây.

1. LDO là các lựa chọn thay thế ít tiếng ồn so với các bộ điều chỉnh chuyển mạch. Chúng đơn giản hơn để bố trí và thường có chi phí thấp hơn.
2. LDO đôi khi được sử dụng sau các bộ điều chỉnh chuyển mạch để giảm điện áp xuống mức thấp hơn nữa. Thực tế, một số linh kiện bộ điều chỉnh chuyển mạch bao gồm một LDO ở đầu ra; xem ADP5037 là một ví dụ.
3. Bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể cung cấp điều khiển điện áp rất chính xác chỉ cần điều chỉnh tần số PWM. Trong một bộ điều chỉnh LDO, điều khiển là bị động.

Bố trí PCB cho LDO và Bộ Điều Chỉnh Chuyển Mạch

Đây là một chủ đề khá sâu rộng vì phần bố trí PCB có thể tập trung vào mạch điều chỉnh, bus điện và các tải hạ lưu. Có hai hướng dẫn tôi thích tuân theo:

• Chú ý đến độ rộng của dây dẫn cần thiết để hỗ trợ dòng điện mong muốn của bạn, giữ cho sự sụt áp IR thấp và giữ nhiệt độ trong giới hạn an toàn. Đừng ngần ngại sử dụng đổ đa giác khi bạn làm việc với dòng điện cao.
• Giữ cho độ tự cảm của vòng lặp nhỏ. Điều này có nghĩa là giữ cho các linh kiện gần nhau và vạch ra các đường quay về trên PCB để đảm bảo bạn không tạo ra vấn đề EMI.

Hình ảnh dưới đây sẽ minh họa ý tôi muốn nói. Bố cục này dành cho một bộ điều chỉnh chuyển mạch hoạt động ở 3 MHz. Bạn sẽ nhận thấy phần quan trọng, cụ thể là vòng lặp tạo bởi L2 và các tụ lọc, có một đường quay về mặt đất gần đó khá chặt chẽ. Điều này giúp đảm bảo phát và nhận EMI bức xạ thấp. Cùng một nguyên tắc áp dụng cho mạch LDO, mặc dù trong trường hợp đó, chúng ta lo lắng nhiều hơn về việc nhận EMI vì không có sự chuyển đổi.

Bạn thường thấy các ví dụ về bố cục trong ghi chú ứng dụng cho LDOs hoặc bộ chuyển đổi chuyển mạch. Hãy cẩn thận với những cái này; chúng có thể ổn để xử lý dòng điện, nhưng có thể có vấn đề EMI ẩn nấp trong bố cục của chúng. Những vấn đề EMI trong ghi chú ứng dụng thường xuất phát từ việc đường quay về không được xác định rõ ràng hoặc không tạo được bố cục gọn gàng với độ tự cảm vòng lặp thấp. Mark Harris đã chỉ ra một ví dụ tuyệt vời về bố cục PCB gọn gàng cho một bộ điều chỉnh chuyển mạch trong một bài viết gần đây, hãy xem để thấy một số hướng dẫn tốt từ một kỹ sư bố cục dày dạn kinh nghiệm.

Sau khi bạn đã quyết định giữa bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính và bộ điều chỉnh chuyển mạch trong bố cục PCB của mình, hãy sử dụng bộ công cụ CAD tốt nhất và các tính năng quản lý linh kiện trong Altium Designer® để đặt và định tuyến thiết kế của bạn. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng. Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Hội thảo Trực tuyến Theo Yêu cầu.