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        2. 了解低壓差穩壓IC(LDO)及其在電池驅動設備中的意義

          穩壓IC電池供電的重要性

          了解低壓差穩壓IC(LDO)及其在電池供電設備中的重要性

           

          如今,電子設備的尺寸比以往任何時候都要小。這使我們能夠在智能手表,健身追蹤器和其他可穿戴設備等緊湊型便攜式設備中加入功能,它還幫助我們部署遠程物聯網設備進行牛群監控,資產跟蹤等。所有這些便攜式設備的一個共同點是它們是電池供電的。當設備由電池供電時,設計工程師必須選擇能夠節省設計中每毫伏的組件,以便在可用的電池電量下長時間運行設備。一旦這樣的元件就是低壓差穩壓IC(LDO)。在本文中,我們將了解有關LDO以及如何為您的電路設計選擇正確LDO的更多信息。

           

          什么是電子產品中的調節器?

          穩壓IC是調節某些東西的設備或精心設計的機制,這里的某些東西通常是指電流的電壓。主要用于電子產品的穩壓IC有兩種類型,第一種是開關穩壓IC,第二種是線性穩壓IC。它們都有不同的工作架構和子系統,但我們不會在本文中討論它們。但簡單來說,如果穩壓IC控制輸出電流,那么它被稱為電流穩壓IC。通過相同的方面,電壓調節器用于控制電壓。

           

          LDO和線性穩壓IC之間的區別

          線性穩壓IC是用于電源調節的最常用器件。但是,在電池供電應用中使用線性穩壓IC的缺點是,線性穩壓IC的輸入電壓始終需要高于穩壓輸出電壓。這意味著,輸入電壓和輸出電壓之間的差異很大。因此,當要求穩壓輸出電壓與輸入電壓接近時,標準線性穩壓IC具有一些局限性。

           

          LDO的工作

          LDO是線性調節器王朝的一部分。但是,與普通的線性穩壓IC不同,在LDO中,輸入電壓和輸出電壓之間的差異較小。這種差異稱為壓差。由于LDO具有非常低的壓差電壓,因此稱為低壓差穩壓IC。您可以將LDO想象成一個與負載串聯的線性電阻器,以將電壓降低到所需的水平。具有LDO的優勢在于其兩端的壓降將遠遠小于電阻。

          穩壓IC工作原理圖

           

          由于LDO在輸入和輸出之間提供低壓差,因此即使輸入電壓相對接近輸出電壓,它也可以工作。LDO兩端的壓降最大值介于300mV至1.5V之間。在一些LDO中,電壓差甚至小于300mV。

           

          穩壓IC工作原理圖

           

          上圖顯示了一個簡單的LDO結構,其中設計了一個閉環系統?;鶞孰妷河奢斎腚妷寒a生,并饋送到差分放大器。輸出電壓由分壓器檢測,并再次饋送到差分放大器的輸入引腳。根據這兩個值,基準電壓的輸出和分壓器的輸出,放大器產生輸出。該輸出控制可變電阻器。因此,這兩個值的任何值都可能改變放大器的輸出。這里需要基準電壓源保持穩定,以準確感測另一個電壓源。當基準電壓穩定時,輸出電壓的微小變化通過電阻分壓器反映在差分放大器的輸入端。然后,放大器控制可變電阻器以提供穩定的輸出。另一方面,基準電壓不依賴于輸入電壓,而是在差分放大器兩端提供穩定的基準電壓,使其不受瞬態變化的影響,并且還使輸出電壓獨立于輸入電壓。在實際結構中,此處顯示的可變電阻通常由高效的MOSFET或JFET取代。雙極晶體管不用于LDO,因為電流和發熱的額外要求導致效率低下。

           

          選擇LDO時要考慮的參數

          基本功能

          由于它是確保向負載正確供電的基本器件,因此第一個關鍵特性是負載調節和穩定的輸出。在負載電流變化期間,適當的負載調整率至關重要。當負載增加或減少其電流消耗時,穩壓IC的輸出電壓不應波動。輸出電壓的波動以每安培電流的mV范圍測量,稱為精度。一個LDO的輸出電壓準確度范圍為5mV至50mV,僅為輸出電壓的幾個百分比。

           

          安全和保護功能

          LDO通過確保整個輸出端的正確供電來提供基本的安全功能。通過輸入和輸出兩端的保護電路來適應安全特性。保護電路包括欠壓保護(UVLO)、過壓保護(OVLO)、浪涌保護、輸出短路保護和熱保護。

          在某些情況下,提供給穩壓IC的輸入電壓可能會顯著降低或升高到高值。這導致LDO的電壓和電流輸出不正確,這將損壞我們的負載。如果LDO兩端的輸入電壓超出限值,則觸發UVLO和OVLO保護以保護LDO和負載。UVLO的下限和最大輸入電壓限值可以使用簡單的分壓器進行設置。

          浪涌保護電路使LDO免受瞬變和高壓浪涌或尖峰的影響。它也是不同LDO提供的附加功能。輸出短路保護是過流保護的一種形式。如果負載短路,LDO的短路保護功能會斷開負載與輸入電源的連接。熱保護在LDO被加熱時起作用。在加熱操作期間,熱保護電路會停止LDO的工作,以防止對其造成任何進一步的損壞。

           

          附加功能

          LDO可以有兩個額外的邏輯電平控制引腳,用于與微控制器輸入進行通信。使能引腳通常稱為EN,這是LDO的輸入引腳。一個簡單的微控制器可以改變LDO的EN引腳狀態,以啟用或禁用電源輸出。當出于應用目的需要打開或關閉負載時,這是一個方便的功能。

          電源良好引腳是LDO的輸出引腳。該引腳還可以與微控制器單元連接,以提供邏輯低電平或高電平,具體取決于電源條件。根據電源良好引腳的狀態,微控制器單元可以獲取有關LDO兩端電源狀態的信息。

           

           

          LDO的局限性

          雖然LDO在低壓差電壓下提供適當的輸出,但它仍然有一些局限性。LDO的主要限制是效率。誠然,LDO在功耗和效率方面優于標準線性穩壓IC,但對于效率是主要關注點的便攜式電池相關操作而言,它仍然是一個糟糕的選擇。如果輸入電壓明顯高于輸出電壓,則效率甚至會變差。當電壓降較高時,散熱增加。多余的廢能轉化為熱量并需要散熱器,導致PCB面積增加并產生元件成本。為了提高效率,開關穩壓IC仍然是優于線性穩壓IC(尤其是LDO)的最佳選擇。

           

           

          我應該在下一個設計中使用LDO嗎?

          由于LDO提供非常低的壓差,因此最好僅在所需輸出電壓非常接近可用輸入電壓時才選擇LDO。以下問題可以幫助您確定電路設計是否確實需要LDO

          1. 所需的輸出電壓是否接近可用輸入電壓?如果是,那么多少錢?如果輸入電壓和輸出電壓之間的差值小于300mV,則最好使用LDO
          2. 對于所需的應用,是否可以接受50-60%的效率?
          3. 需要低噪音電源嗎?
          4. 如果成本是一個問題,并且簡單,零件數量更少,則需要節省空間的解決方案。
          5. 添加開關電路會不會太昂貴和笨重?

          如果您對上述所有問題的回答都是“是”,那么LDO可能是一個不錯的選擇。但是,LDO的規格是什么?好吧,這取決于以下參數。

          • 輸出電壓。
          • 最小和最大輸入電壓。
          • 輸出電流。
          • LDO的軟件包。
          • 成本和可用性。
          • 啟用和禁用選項是必需的還是不需要的。
          • 應用程序需要其他保護選項。如過流保護、UVLO、OVLO等。

           

           

          LDO – 示例設計

          讓我們考慮一個實際情況,其中LDO將是強制性的。假設需要一種低成本、簡單、節省空間的解決方案,將3.7V鋰電池輸出轉換為具有短電流限制和熱保護的穩定的3.3V 500mA電源。電源解決方案需要與微控制器連接,以啟用或禁用某些負載,效率可達50-60%。由于我們需要一個簡單且低成本的解決方案,因此我們可以排除開關穩壓IC設計。

          鋰電池在完全充電條件下可提供 4.2V,在完全空載條件下可提供 3.2V。因此,可以通過微控制器單元檢測LDO的輸入電壓來控制LDO在低電壓情況下斷開負載。

          為了求和,我們需要3.3V輸出電壓,500mA電流,使能引腳選項,低器件數量,約300-400 mV壓差要求,輸出短路保護以及熱關斷功能,對于此應用,我個人選擇的LDO是通過微芯片MCP1825 - 3.3V固定穩壓IC。

          完整的功能列表可以在下圖中看到,取自數據表 -

          LDO穩壓IC數據表

           

          LDO - 印刷電路板設計指南

          一旦您確定了LDO并對其進行了測試,使其適合您的設計,您就可以繼續為您的電路設計PCB。以下是您在為LDO元件設計PCB時應該記住的幾個提示。

          1. 如果使用SMD封裝,則必須在PCB中提供適當的銅面積,因為LDO會散熱。
          2. 銅厚度是無故障運行的主要因素。2盎司(70um)銅厚度將是一個不錯的選擇。
          3. 與噪聲相關的問題需要厚接地層。
          4. 使用過孔在雙面 PCB 中實現適當的散熱。

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

           

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          創建時間:2022-05-07 14:19
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