Понимание схем LDO: принципы, советы по проектированию и применения

Проектируете стратегию регулирования питания для печатной платы? Или создаете собственный блок питания для платы? Если да, жизненно важно подумать о лучшем способе управления питанием, подаваемым на компоненты. Это особенно актуально для высокоскоростных цифровых систем. Имеет ли значение источник питания? Берете ли вы питание от линейного напряжения или батареи — важно контролировать входную мощность до оптимального уровня для системы. Например, если используете батарею, схема LDO будет идеальна. Линейный регулятор обеспечивает адекватное напряжение и пониженное стабильное выходное от входного.

Мы подробнее расскажем об LDO, выделив его элементы, принципы работы, применения и больше.

Начнем!

Что такое LDO?

LDO — аббревиатура от Low Dropout (низкий падение напряжения). Также называют насыщением или линейным регулятором с малыми потерями. Работает при низком потенциальном различии (PD) между входным и выходным напряжением питания.

LDO регулятор может принимать только входные напряжения, немного превышающие желаемое выходное. Потому что устройство — понижающий DC-DC преобразователь с переменным входным напряжением. Dropout voltage (напряжение выхода из регулирования) — минимальная разница между входным и желаемым выходным напряжением или входным питанием.

Несмотря на низкую энергоэффективность, может стабильно работать с низким падением ~1 В. Линейный регулятор напряжения также выдает разные уровни напряжения со стабильным и постоянным выходом.

Выходное напряжение LDO не зависит от разряда батареи, температуры, потерь мощности и импеданса нагрузки. Например, Li-ion батарея имеет входной диапазон 2,7–4,2 В. 2,7 В — полностью разряжена, 4,2 В — заряжена. Если напряжение батареи упадет ниже 3 В, LDO удержит выход на 2,5 В.

Каковы элементы LDO регулятора?

Ключевые компоненты LDO включают:

Усилитель ошибки (Error Amplifier)

Усилитель ошибки в схеме

Источник: Wikimedia Commons

При проектировании усилителя ошибки LDO важно потреблять минимальный ток. Почему? Емкость затвора силового транзистора велика. Следовательно, выходное сопротивление усилителя должно быть очень низким.

Усилитель ошибки имеет два входа. Первый — когда делитель напряжения масштабирует выходное напряжение вниз. Второй — опорное напряжение. После сравнения усилитель ошибки модифицирует сопротивление силового элемента.

Силовой элемент (Pass Element)

Силовой элемент в схеме

Источник: Wikimedia Commons

Усилитель ошибки управляет силовым элементом внутри цикла обратной связи. Силовой элемент переносит напряжение от входа к нагрузке. Можно использовать NMOS и PMOS как силовые элементы.

При рассмотрении схемы заметите, что V_o(s) соединяется с V_1(s). PMOS транзистору нужно минимальное напряжение для правильной регуляции и остается насыщенным. Минимальное напряжение сток-исток V_2(s) отвечает за минимальное напряжение. Но PMOS не идеален для сверхнизковольтных устройств.

Можно получить низкое падение, выход и вход с NMOS транзистором. Преимущество NMOS LDO: выход регулятора находится в истоке транзистора. NMOS входит в конфигурацию повторяющего истока (source follower).

Опорное напряжение (Voltage Reference)

Этот элемент — отправная точка любого регулятора, устанавливающая рабочую точку усилителя ошибки. Можно использовать полосовое опорное напряжение (band-gap) — оно позволяет работать при низких напряжениях питания.

Выходной конденсатор (Output Capacitor)

Мощный выходной конденсатор

Источник: Wikimedia Commons

При скачкообразных изменении нагрузки выходной конденсатор позволяет LDO передать ток в нагрузку — усилитель ошибки стабилизируется.

ESR конденсатора играет большую роль, ограничивая ток от конденсатора к нагрузке. Для 1 мкФ конденсатора с ESR 10–300 мОм подходят:

• Танталовые конденсаторы с низким ESR
• Керамические конденсаторы
• Полимерные электролитические конденсаторы

Обратная связь (Feedback)

Этот элемент масштабирует выходное напряжение вниз. Позволяет сравнение опорного и выходного напряжения через усилитель ошибки.

Особенности LDO

1. Низкошумный регулятор выдает стабильное напряжение без влияния изменений входного. LDO идеален для питания шумосенситивных устройств.
2. Требует внешние компоненты (резисторы или конденсаторы).
3. LDO имеет функцию ограничения тока, защищающую системы от избыточного тепла.
4. LDO имеет цепь разряда вывода для быстрого разряда и снижения напряжения на выводе близко к GND IC.
5. Устройство имеет функцию термической защиты, предотвращающую разрушение и деградацию.

Как работает LDO?

Схема LDO стабилизатора напряжения

Основные компоненты LDO: источник опорного напряжения, силовой элемент и усилитель ошибки. Силовой элемент — P-канальный или N-канальный FET. Начинается с подачи входного напряжения на силовой элемент (N-канальный транзистор).

Транзистор работает в линейной области, снижая входное напряжение. Процесс продолжается до достижения желаемого выходного. В этот момент усилитель ошибки распознает выходное напряжение. Затем сравнивает два параметра (выходное и опорное напряжение).

Усилитель ошибки меняет затвор FET на правильную рабочую точку. Обеспечивает точное выходное напряжение. Усилитель ошибки корректирует FET для постоянного выходного при изменении входного.

В стационарном режиме LDO работает как обычный резистор. Можно включать/выключать регулятор через Enable пин. Функция помогает избежать расхода батареи, когда LDO не используется.

Когда использовать LDO?

1. При широком диапазоне входного напряжения LDO идеален. Важно обеспечить стабильный выход от источника питания. Не нужно настраивать ШИМ в цикле обратной связи — компоненты не требуют обратной связи к ключевому элементу.
2. Когда системе нужно постоянное выходное питание независимо от просадки входного напряжения.
3. LDO полезен для снижения выходного до желаемого напряжения.

Другие продвинутые схемы LDO

Продвинутый LDO дает пользователю выбираемое опорное напряжение. Это делает устройство программируемым.

Обычно LDO шунтирует высокие частоты на землю через шунтирующий конденсатор диагонально к выходу. Но проектировщики уделяют больше внимания фильтрации выхода многостадийного регулятора. К сожалению, не фокусируются на входной фильтрации.

Можно улучшить LDO с EMI фильтрами. Тогда устройство будет соответствовать EMC/CISPR. Важно для генерации высших гармоник с ключевыми регуляторами.

Можно добавить другие аспекты для улучшения распределения питания (аналоговое и цифровое).

Важные параметры для выбора LDO

Регулирование по нагрузке (Load Regulation)

Способность схемы удерживать определенное выходное напряжение при разных нагрузках.

Load Regulation = ∆Vout / ∆Iout

Потребление в режиме ожидания (Quiescent Current)

Quiescent — состояние покоя. Quiescent current — ток, потребляемый в standby. Происходит только при подключенной батарее.

Переходной процесс (Transient Response)

Максимально допустимая разница выходного напряжения при ступенчатом изменении тока нагрузки. Также называют линейным переходным процессом. Функция от:

• Макс. ток нагрузки (I_{out max})
• ESR выходного конденсатора
• Значение выходного конденсатора (C_out)
• Байпас-конденсатор (C_b)

Уравнение: ∆Vtr, max = (Iout, max / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR

Регулирование по входу (Line Regulation)

Способность схемы удерживать выходное напряжение при изменении входного.

Line Regulation = ∆Vout / ∆Vin

PSRR (Коэффициент подавления пульсаций питания)

Способность LDO отбрасывать переменные составляющие. Пример — пульсации напряжения (ripple).

PSRR (дБ) = 20 lg (Vripple (in) / Vripple (out))

Применения схемы LDO

• Высокоэффективные линейные блоки питания
• Компьютеры
• Пострегуляторы SMPS и DC/DC модули
• Беспроводная и проводная связь
• Автомобильные применения
• Батарейно-питание устройства
• Регулирование VPP / PCMCIA VCC
• Промышленные применения
• Питание цифрового ядра

Заключение

Схема LDO играет значительную роль в электронике. Большинство источников питания требуют линейный регулятор для получения желаемого напряжения. Устройство идеально для проектов, требующих постоянную выходную мощность независимо от просадки входного.

Можете обратиться к схеме для понимания основных компонентов. Ваши мысли об LDO регуляторах? Обращайтесь за дополнительной информацией.