LDO 5V: қосылу схемалары және мысалдар 

Неліктен 5V LDO таңдау электрониканың тұрақтылығы үшін өте маңызды

Тұрақты қуат қарапайым IoT сенсорларынан күрделі өнеркәсіптік контроллерлерге дейін кез келген электрондық жүйенің негізі болып табылады. Біздің тәжірибемізде инженерлер жылу жағдайлары мен шу сипаттамаларын елемей, тек бағаға негізделген сызықтық реттегішті (LDO) таңдайтын жағдайларды үнемі кездестіреміз. Нәтижені болжауға болады: тақтаның қызып кетуі, аналогтық сенсор параметрлерінің дрейфі және жабдықтың мерзімінен бұрын істен шығуы. 5 вольтты қуат тізбегін жобалаудағы негізгі мәселе жылуды тарату тиімділігін, шу деңгейін және құрамдастардың құнын теңестіру болып табылады.

Сезімтал аналогтық бөліктер немесе төмен ток микроконтроллерлері үшін таза қуат қажет болғанда сызықтық кернеу реттегіштері (LDO) маңызды болып қала береді. Импульстік түрлендіргіштердің танымалдылығына қарамастан,LDO 5V: қосылу схемалары және мысалдарОлардың практикалық қолданулары көптеген мәселелер үшін сызықтық тұрақтандыру оның қарапайымдылығы мен электромагниттік кедергілердің болмауына байланысты жалғыз дұрыс шешім екенін көрсетеді. Бұл мақалада біз тек теориялық негіздерді ғана емес, сонымен қатар нақты инженерлік жағдайларды, соның ішінде біздің клиенттерімізге баспа платаларын өңдеуде ондаған мың рубльді құрайтын қателерді талдаймыз.

5В LDO тұрақтандырғыштарын қосудың негізгі схемалары

Сызықтық тұрақтандырғыштың қосылу схемасы тривиальды болып көрінеді: кіріс, шығыс және жерге. Дегенмен, әбзелдің егжей-тегжейінде шайтан бар. Конденсаторларды дұрыс таңдамау тұрақтандырғышты жоғары жиілікті тербелістердің генераторына айналдыруы мүмкін. Классикалық конфигурацияны және жаңадан бастағандар жиі елемейтін нюанстарды қарастырайық.

Кіріс және шығыс конденсаторлары бар классикалық конфигурация

Кез келген LDO-ның минималды жұмыс тізбегі екі конденсаторды қажет етеді: біреуі кірісте (C_in) және біреуі шығысында (C_out). Кіріс конденсаторы кіріс кернеуі үшін энергия буфері және төмен жиілікті сүзгі ретінде қызмет етеді. Егер қуат көзі реттегіштен алыс болса (ПХД ізі бойымен 10 см-ден астам), C_in болмауы сымдардың индуктивтілігіне байланысты тізбекті қуаттандыруға әкеледі. 1 мкФ (106) X7R маркалы керамикалық конденсаторды тікелей VIN істікшесінде пайдалануды ұсынамыз.

Шығыс конденсаторы (C_out) кері байланыс контурының тұрақтылығына және жүктеменің кенеттен өзгеруі кезінде өтпелі реакцияға жауап береді. AMS1117 сериясы немесе Texas Instruments және Analog Devices ұсынған жоғары деңгейлі эквиваленттер сияқты қазіргі заманғы LDO құрылғыларының көпшілігі 10 мкФ пен 22 мкФ арасындағы сыйымдылықты қажет етеді. Конденсатордың ESR (эквивалентті сериялық кедергі) ескеру маңызды. Реттегіштердің кейбір ескі түрлері тұрақты жұмыс істеуі үшін белгілі бір ESR диапазоны бар тантал конденсаторларын қажет етеді, ал заманауи LDOs арзан көп қабатты керамикалық конденсаторлармен (MLCC) тұрақты.

Назар аударыңыз:Біз өндірісте жиі кездесетін қателіктердің бірі X7R орнына Y5V немесе Z5U класындағы конденсаторларды пайдалану болып табылады. Температура көтерілгенде немесе тұрақты кернеу қолданылғанда Y5V сыйымдылығы 80%-ға төмендеуі мүмкін. Бұл нақты шығыс сыйымдылығының тұрақтылық шегінен төмен болуына әкеледі және реттегіш жүздеген килогерц жиілігі бар толқындарды жасай бастайды.

Түсіру кернеуі

LDO (Low Dropout) термині кіріс және шығыс кернеуі арасындағы айырмашылық минималды болуы мүмкін екенін білдіреді. Тұрақты 5 В шығысын алу үшін кіріс кернеуі кем дегенде түсіру кернеуінің мәніне 5 В жоғары болуы керек. 7805 сияқты классикалық реттегіштер үшін бұл мән шамамен 2 В құрайды, яғни кірісте кемінде 7 В қажет. Заманауи LDO үшін төмен токтарда 0,1–0,3 В-қа дейін төмендеу болуы мүмкін.

Тізбекті USB (5V) арқылы қуаттап жатсаңыз және тұрақты 5В қажет болса, кәдімгі LDO жұмыс істемейді, өйткені оған жұмыс істеу үшін «кеңістік» қажет. Мұндай жағдайларда өте төмен түсіру немесе мамандандырылған зарядтау контроллері бар LDO пайдаланылады. Қуат бюджетін есептеген кезде, әрқашан маржаны қосыңыз: V_in(min) = V_out + V_dropout(max) + көз толқыны үшін маржа.

Жылулық есептеу және қуатты басқару: қызып кетуді болдырмау

Сызықтық тұрақтандырғыштың негізгі жауы - жылу. Кіріс және шығыс кернеуі арасындағы жүктеме тоғына көбейтілген барлық айырмашылық чипте жылу ретінде бөлінеді. Формула қарапайым, бірақ бұл факторды елемеу салдары апатты:

P_dissipated = (V_in – V_out) × I_load

Тәжірибемізден мысал қарастырайық. Клиент GSM модулін қуаттандыру үшін SOT-223 пакетіндегі танымал AMS1117-5.0 тұрақтандырғышын қолданды, ол 1А ең жоғары токты тұтынды. Кіріс кернеуі 12 В болды. Қуат шығынын есептейік: (12В – 5В) × 1А = 7 Вт. SOT-223 корпусы қалыпты қоршаған орта температурасында қосымша радиаторсыз максимум 1–1,5 Вт таратуға қабілетті. Микросұлба қызып кетті және 15 минут жұмыс істегеннен кейін істен шықты.

Түйісу температурасын қалай дұрыс есептеу керек

Сенімді жұмыс істеу үшін кристалдық температураны есептеу қажет (T_juction). Ол деректер парағында көрсетілген ең жоғары мәннен аспауы керек (әдетте 125°C немесе 150°C). Есептеу формуласы:

T_j = T_amb + (P_dissipated × R_θJA)

Мұндағы T_amb - қоршаған ортаның температурасы, ал R_θJA - қоршаған ортаның түйіскен жылу кедергісі. TO-220 орамы үшін бұл мән шамамен 50–60 °C/Вт болуы мүмкін, ал шағын SMD пакеттері үшін ол 100 °C/Вт болуы мүмкін.

Егер есептеу артық температураны көрсетсе, сізде үш шешім бар:

• GND немесе OUT түйреуішіне жалғанған тақтадағы мыс полигондарының ауданын ұлғайту (егер дизайн рұқсат етсе).
• DPAK немесе TO-263 сияқты жақсырақ жылу бөлетін корпусты таңдаңыз.
• Кіріс кернеуін азайтыңыз. Мүмкін болса, кернеуді 12 В-тан 6 В-қа дейін төмендету үшін бак түрлендіргішті, содан кейін 5 В дейін тазалау үшін LDO пайдаланыңыз. Бұл LDO қыздыруын айтарлықтай азайтады.

Біз жобалау процесінің басында термиялық модельдеуді орындауды ұсынамыз. Прототипте жылу камерасын немесе тіпті қарапайым термопараны пайдалану өндіріс алдында «ыстық нүктелерді» анықтауға көмектеседі.

Әр түрлі салаларда қолдану мысалдары

Арнайы LDO түрін таңдау қолданба талаптарына байланысты. Төменде тізбекті жобалаудың әртүрлі тәсілдерін көрсететін екі нақты өмірлік сценарий берілген.

Өнеркәсіптік автоматтандыру: кедергілерден қорғау

Қуатты қозғалтқыштары мен релелері бар цехтарда электрмен жабдықтау жоғары жиілікті шу мен кернеудің асқын түсуімен ластанған. Мұнда LDO міндеті тек кернеуді төмендету ғана емес, сонымен қатар толқынды басудың жоғары дәрежесін қамтамасыз ету (PSRR - қуат көзін қабылдамау коэффициенті).

Деректерді жинау жүйелерінде ADC (аналогты цифрлық түрлендіргіштер) қуаттандыру үшін біз 100 кГц жиілікте жоғары PSRR бар LDO пайдаланамыз. Мысалы, LT3045 сериясы немесе ұқсас төмен шуды реттегіштер. Мұндай схемада тұрақтандырғыштың алдында кіріс LC сүзгісін пайдалану қажет. Индуктивтілік жоғары жиілікті шуды, ал LDO төмен жиілікті шуды өшіреді.

Сонымен қатар, өнеркәсіптік ортада полярлықты өзгертуден және асқын кернеуден қорғау қажет. Біз кіріске TVS диодын және кері токтан қорғау үшін P-MOSFET қосқышын қосамыз. Бұл БОМ (материалдар тізімі) құнын 15%-ға арттырады, бірақ жабдықты қайтару пайызын нөлге дейін төмендетеді.

Портативті құрылғылар: батарея қуатын үнемдеу

Литий-ионды аккумуляторлармен жұмыс істейтін құрылғыларда (кернеу 3,0–4,2 В) тұрақты 5 В алу сызықтық реттегіштің көмегімен мүмкін емес. Дегенмен, 5 В рельсінен (мысалы, Power Bank) 3,3 В логикасын қуаттандыруға келетін болсақ, LDO өте қолайлы.

Мұндағы негізгі параметр - ішкі ток тұтынуы (Тыныш ток, Iq). Кәдімгі LDO-лар тіпті жүктемесіз 5-10 мА тұтынады, бұл батареяны тез босатады. IoT сенсорлары үшін Iq 1 мкА-дан төмен LDO-ларды таңдаймыз. Мысалы, Maxim Integrated немесе Silicon Labs фирмасының чиптері. Мұндай схемаларда ұйқы режиміне жылдам өту функциясы және бағдарламалық құрал арқылы перифериялық құрылғының қуатын толығымен өшіру үшін Қосу пинінің болуы да маңызды.

Танымал шешімдерді және таңдау критерийлерін салыстыру

Нарықта көптеген өндірушілер бар. Арзан қытайлық аналогтар мен брендтік компоненттер арасындағы таңдау партия өлшемі мен сенімділік талаптарына негізделуі керек. Төменде тұрақтандырғыштардың танымал түрлерінің салыстырмалы кестесі берілген.

Жеткізушіні таңдағанда, сертификаттауға назар аударыңыз. Ресей нарығы үшін таңбалау және стандарттарға сәйкестік қажетГОСТжәне КО ТР (ЕАС) сәйкестік туралы декларацияның болуы. Құрамдас бөліктерін құжатсыз немесе күдікті төмен бағамен ұсынатын компаниялар жиі жаңартылған немесе қабылданбаған чиптерді жеткізеді. Үлкен тапсырыс бермес бұрын сынақ үшін үлгілерді сұрауды ұсынамыз.

Бұл тұрғыда дәлелденген серіктестермен жұмыс істеу әсіресе маңызды, мысалыWuhan Xinhualong Technology LLC. 2009 жылы Қытайдың «Оптикалық алқабында» құрылған кәсіби дистрибьютор ретінде компания электронды компоненттерді ашық және заңды жеткізу тізбегін қамтамасыз етеді. Олардың аналогты-цифрлық түрлендіргіштерді, процессорларды және реттелетін контроллерді қоса алғанда, жоғары технологиялық жартылай өткізгіш шешімдерді таратудағы тәжірибесі тікелей өндірушілерден түпнұсқа өнімдерді қамтамасыз етеді. Толық уақытты қолданбалы инженерлердің (FAE) болуы тұтынушыларға барлық кезеңдерде – құрамдастарды таңдаудан бастап соңғы құрылғыға біріктіруге дейін білікті техникалық қолдау алуға мүмкіндік береді, бұл сапасыз аналогтарды пайдалану тәуекелдерін азайтады.

Жиі қойылатын сұрақтар

Ток күшін арттыру үшін екі LDO шығыстарын параллель қосуға болады ма?

Жоқ, бұл әдеттегі сызықтық тұрақтандырғыштар үшін қатаң ұсынылмайды. Шығу кернеулерінің айырмашылығына байланысты (тіпті ±1,5% төзімділік шегінде) бір тұрақтандырғыш қызып кетуден қорғауға өткенше бүкіл жүктемені алады, ал екіншісі бос болады. Ерекшелік - бұл параллельді функциясы бар мамандандырылған микросұлбалар немесе тиімділікті төмендететін сыртқы балласт резисторларын пайдалану. Токты арттыру үшін тағы бір қуатты LDO таңдаған дұрыс немесе импульстік түрлендіргішті қолданған дұрыс.

Қандай конденсаторды шығысқа қою жақсы: электролиттік немесе керамикалық?

Көптеген заманауи қолданбаларда керамикалық конденсаторларға (MLCC) артықшылық беріледі. Олардың ESR төмен, жоғары жиілікті өнімділігі жақсы және қызмет ету мерзімі ұзағырақ. Электролиттік конденсаторлар әлсіз қуат көзінен төмен жиілікті толқындарды тегістеу үшін үлкен сыйымдылық (жүздеген микрофарадтар) қажет болған жағдайда ғана қажет болуы мүмкін, бірақ бұл жағдайда оларды 0,1 мкФ керамикамен айналып өту жақсы.

Неліктен менің LDO жүктемесіз қызады?

Жүктемесіз ток тұтынуы (тыныш ток) әдетте төмен және айтарлықтай қызуды тудырмайды. Егер микросұлба бос тұрғанда қызып кетсе, мынаны тексеріңіз:
1. Шығуда қысқа тұйықталу немесе ағып кету бар ма?
2. Кіріс кернеуі максималды номиналды мәннен асады ма (ішкі өткелдің бұзылуы).
3. Жерге қосу сымдарын дұрыс орнату (жалпы жерге қосу нүктесі дұрыс болуы керек).
Көбінесе бұл компоненттің дұрыс жұмыс істемеуі немесе орнату қатесі.

Сатып алу бойынша қорытынды және ұсыныстар

5V LDO-ны дұрыс таңдау және қосу үш сымды қосу ғана емес. Бұл жылулық жағдайларды, жиілік сипаттамаларын және жұмыс жағдайларын ескеруді талап ететін күрделі міндет. Осы кезеңдегі қателер бүкіл жүйенің тұрақсыз жұмысына және қымбат модификацияларға әкеледі.

Біз әрқашан кем дегенде 30-40% қуат пен ток резервін қалдыруды ұсынамыз. Төмен түсіру кернеуі бар заманауи компоненттерді пайдаланыңыз және прототиптеу кезеңінде дәнекерлеу сапасы мен конденсатор рейтингтерін тексеріңіз. Жаппай өндіріске арналған компоненттерді сатып алғанда, сапа сертификаттары мен техникалық сипаттамаларға сәйкестік кепілдігін бере алатын ресми дистрибьюторларға немесе сенімді өндірушілерге артықшылық беріңіз.

Егер сіз жобаңызға компоненттерді таңдауда қиындықтарға тап болсаңыз немесе белгіленген мерзімдерге және ГОСТ/ИСО стандарттарына сәйкес жоғары сапалы электронды компоненттерді жеткізу қажет болса, біздің мамандар көмектесуге дайын. Wuhan Xinhualong Technologies қолдаудың толық циклін ұсынады: техникалық кеңес беруден логистикаға дейін, сапа басымдығы және ұзақ мерзімді серіктестік қағидаттарына негізделген.

Электрондық компоненттерге баға ұсынысын сұраңыз

Бүгін бізге хабарласыңыз