فهم منخفض

اليوم ، تقلص حجم الأجهزة الإلكترونية أكثر من أي وقت مضى. يتيح لنا ذلك تعبئة نغمات من الميزات في الأجهزة المحمولة صغيرة الحجم مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية وغيرها من الأجهزة القابلة للارتداء ، كما يساعدنا على نشر أجهزة إنترنت الأشياء عن بُعد لمراقبة الماشية وتتبع الأصول وما إلى ذلك. شيء واحد مشترك بين جميع هذه الأجهزة المحمولة هي أنها تعمل بالبطارية. وعندما يعمل الجهاز بالبطارية ، من المهم لمهندسي التصميم اختيار المكونات التي تحافظ على كل ملي فولت في تصميمهم لتشغيل الجهاز لفترة أطول مع عصير البطارية المتاح. بمجرد أن يكون هذا المكون هو منظم الجهد المنخفض التسرب (LDO). في هذه المقالة سوف نتعلم المزيد عن LDO وكيفية اختيار المناسب لتصميم دائرتك.

ما هو المنظم في الإلكترونيات؟

المنظم هو جهاز أو آلية جيدة التصميم تنظم شيئًا ما ، وهنا يشير الشيء عادةً إلى جهد التيار. هناك نوعان من المنظمات المستخدمة بشكل رئيسي في الإلكترونيات ، الأول هو تبديل المنظم والثاني هو المنظم الخطي. كلاهما لهما بنية عمل ونظام فرعي مختلفان ، لكننا لن نناقشهما في هذه المقالة. ولكن لتوضيح الأمر ببساطة ، إذا كان المنظم يتحكم في تيار الإخراج ، فإنه يسمى المنظم الحالي. من نفس الجانب ، يتم استخدام منظمات الجهد للتحكم في الجهد.

الفرق بين LDO والمنظم الخطي

تعد الأجهزة التنظيمية الخطية أكثر الأجهزة شيوعًا المستخدمة لتنظيم إمدادات الطاقة وسيكون معظمنا أكثر شهرة مع أجهزة مثل 7805 و LM317. لكن الجانب السلبي لاستخدام منظم خطي في التطبيقات التي تعمل بالبطاريات هو أن جهد الدخل لمنظم خطي مطلوب دائمًا ليكون أعلى من جهد الخرج المنظم. بمعنى أن الفروق بين الفولتية المدخلة والجهد الناتج عالية. لذلك ، يكون للمنظمات الخطية القياسية بعض القيود عندما يكون جهد الخرج المنظم مطلوبًا ليكون قيمة قريبة لجهد الدخل.

عمل LDO

LDO هو جزء من سلالة المنظم الخطي. ولكن ، على عكس المنظمين الخطيين العاديين ، يكون الفرق بين جهد الدخل والجهد الناتج أقل في LDO. يسمى هذا الاختلاف بجهد التسرب. نظرًا لأن LDO يحتوي على جهد تسرب منخفض جدًا ، يطلق عليه اسم منظمات الجهد المنخفض. يمكنك التفكير في LDO وهو المقاوم الخطي الذي يتم تحريكه في سلسلة مع الحمل لتقليل الجهد إلى المستوى المطلوب. إن ميزة وجود LDO هو أن انخفاض الجهد عبره سيكون أقل بكثير من المقاوم.

نظرًا لأن LDO يوفر جهدًا منخفضًا للتسرب بين الإدخال والإخراج ، فيمكنه العمل حتى إذا كان جهد الدخل قريبًا نسبيًا من جهد الخرج. سيكون انخفاض الجهد عبر LDO بين 300mV إلى 1.5V كحد أقصى. في بعض LDOs ، تكون فروق الجهد أقل من 300mV.

تُظهر الصورة أعلاه بنية LDO بسيطة حيث تم تصميم نظام الحلقة المغلقة. يتم إنشاء جهد مرجعي من جهد الدخل وتغذيته إلى مكبر تفاضلي. يتم استشعار جهد الخرج بواسطة مقسم جهد ويتم تغذيته مرة أخرى إلى طرف إدخال مكبر الصوت التفاضلي. اعتمادًا على هاتين القيمتين ، الناتج من الجهد المرجعي والإخراج من مقسم الجهد ، ينتج مكبر الصوت الإخراج. يتحكم هذا الإخراج في المقاوم المتغير. وبالتالي ، فإن أي قيمة لهذين الاثنين يمكن أن تغير إخراج مكبر الصوت. هنا يلزم أن يكون مرجع الجهد مستقرًا ليحس الآخر بدقة. عندما يكون الجهد المرجعي مستقرًا ، ينعكس اختلاف بسيط في جهد الخرج على إدخال مكبر الصوت التفاضلي عبر مقسم المقاوم.ثم يتحكم مكبر الصوت في المقاوم المتغير لتوفير خرج ثابت. من ناحية أخرى ، لا يعتمد مرجع الجهد على جهد الدخل ويوفر مرجعًا ثابتًا عبر مكبر الصوت التفاضلي مما يجعله محصنًا ضد التغييرات العابرة ويجعل أيضًاجهد الخرج المستقل عن جهد الدخل. عادةً ما يتم استبدال المقاوم المتغير الموضح هنا بـ MOSFET أو JFET الفعال في بناء الجدار الفعال. لا يتم استخدام الترانزستورات ثنائية القطب في LDOs بسبب المتطلبات الإضافية لتوليد التيار والحرارة مما يؤدي إلى ضعف الكفاءة.

معلمات للنظر فيها أثناء اختيار LDO الخاص بك

الميزات الأساسية

نظرًا لأنه جهاز أساسي لضمان توصيل الطاقة المناسبة للحمل ، فإن الميزة الرئيسية الأولى هي تنظيم الحمل والإخراج المستقر. تنظيم الحمل السليم ضروري أثناء تغيرات الحمل الحالية. عندما يزيد الحمل أو ينقص استهلاكه الحالي ، يجب ألا يتقلب جهد الخرج من المنظم. يتم قياس تذبذب جهد الخرج في نطاق بالسيارات لكل أمبير من التيار ويسمى بالدقة. و دقة الجهد الناتج من LDO تتراوح من 5mV إلى 50MV مجموعة، وعدد قليل نسب انتاج التيار الكهربائي.

ميزات الأمان والحماية

تقدم LDO ميزات السلامة الأساسية من خلال ضمان توصيل الطاقة المناسب عبر المخرجات. يتم توفير ميزات السلامة باستخدام دوائر الحماية عبر المدخلات والمخرجات. دوائر الحماية هي حماية الجهد المنخفض (UVLO) ، حماية الجهد الزائد (OVLO) ، حماية الطفرة ، حماية ماس كهربائى الناتج والحماية الحرارية

في بعض الحالات ، قد ينخفض ​​جهد الدخل المقدم للمنظم بشكل كبير أو يرتفع إلى قيمة عالية. ينتج عن هذا جهد غير لائق ومخرج تيار من LDO مما يؤدي إلى إتلاف حمولتنا. إذا كان جهد الدخل عبر LDO يتجاوز الحدود ، يتم تشغيل حماية UVLO و OVLO لحماية LDO والحمل. يمكن تعيين الحد الأدنى لـ UVLO والحد الأقصى لجهد الإدخال باستخدام مقسمات جهد بسيطة.

تقدم دائرة حماية الطفرة حصانات لـ LDO من حالات عرام أو ارتفاعات الجهد العالي أو المسامير. إنها أيضًا ميزة إضافية تقدمها LDOs المختلفة. حماية ماس كهربائى الإخراج هو شكل من أشكال حماية التيار الزائد. إذا تم تقصير الحمل ، تقوم ميزة حماية الدائرة القصيرة في LDO بفصل الحمل عن مصدر طاقة الإدخال. تعمل الحماية الحرارية عند تسخين LDO. أثناء عملية التسخين ، توقف دائرة الحماية الحرارية LDO عن العمل لمنع أي ضرر آخر قد يلحق بها.

ميزات إضافية

يمكن أن تحتوي LDOs على دبوسين إضافيين للتحكم في مستوى المنطق للتواصل مع إدخال متحكم. يُشار إلى دبوس التمكين غالبًا باسم EN وهذا دبوس إدخال LDO. يمكن لمتحكم دقيق بسيط تغيير حالة دبوس EN الخاص بـ LDO لتمكين أو تعطيل خرج الطاقة. هذه ميزة مفيدة عند الحاجة إلى تشغيل أو إيقاف تشغيل الأحمال لأغراض التطبيق.

دبوس Power Good هو دبوس إخراج من LDO. يمكن أيضًا توصيل هذا الدبوس بوحدة تحكم دقيقة لتوفير منطق منخفض أو مرتفع حسب حالة الطاقة. استنادًا إلى حالة دبوس الطاقة الجيد ، يمكن لوحدة التحكم الدقيقة الحصول على معلومات حول حالة الطاقة عبر LDO.

حدود LDO

على الرغم من أن LDO يقدم مخرجات مناسبة بجهد تسرب منخفض ، إلا أنه لا يزال لديه بعض القيود. القيد الرئيسي لـ LDO هو الكفاءة. صحيح أن LDO أفضل من المنظمين الخطيين القياسيين من حيث تبديد الطاقة والكفاءة ، لكنه لا يزال خيارًا سيئًا للعمليات المتعلقة بالبطاريات المحمولة حيث تكون الكفاءة هي الشاغل الرئيسي. تصبح الكفاءة ضعيفة حتى إذا كان جهد الدخل أعلى بكثير من جهد الخرج. يزداد تبديد الحرارة عندما يكون انخفاض الجهد أعلى. أدت الطاقة المهدرة الزائدة التي تتحول إلى حرارة وتتطلب مبددًا حراريًا إلى زيادة مساحة ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالإضافة إلى تكبد تكلفة المكون. من أجل كفاءة أفضل ، لا يزال تبديل المنظمين هو الخيار الأفضل على المنظمين الخطيين وخاصة LDOs.

هل يجب علي استخدام LDO لتصميمي القادم؟

نظرًا لأن LDOs تقدم جهد تسرب منخفض جدًا ، فمن الجيد تحديد LDO فقط عندما يكون جهد الخرج المطلوب قريبًا جدًا من جهد الدخل المتاح. يمكن أن تساعدك الأسئلة أدناه في تحديد ما إذا كان تصميم الدائرة يحتاج بالفعل إلى LDO

1. هل جهد الخرج المطلوب قريب من جهد الدخل المتاح؟ إذا كانت الإجابة بنعم ، فما هو الثمن؟ من الجيد استخدام LDO إذا كان الفرق بين جهد الإدخال والجهد الناتج أقل من 300mV
2. هل يتم قبول 50-60٪ من الكفاءة للتطبيق المطلوب؟
3. مصدر طاقة منخفض الضوضاء هو حاجة؟
4. إذا كانت التكلفة مشكلة وبسيطة ، وعدد أجزاء أقل ، فإن الحل الموفر للمساحة مطلوب.
5. هل ستكون إضافة دائرة تحويل مكلفة للغاية وضخمة؟

إذا كانت إجابتك "نعم" لجميع الأسئلة أعلاه ، فقد يكون LDO خيارًا جيدًا. ولكن ، ماذا ستكون مواصفات LDO؟ حسنًا ، هذا يعتمد على المعلمات أدناه.

• الجهد الناتج.
• الحد الأدنى والحد الأقصى لجهد الإدخال.
• التيار الخارج.
• حزمة هتاح.
• التكلفة والتوافر.
• خيار التمكين والتعطيل مطلوب أم لا.
• خيارات الحماية الإضافية المطلوبة للتطبيق. مثل الحماية الحالية الزائدة ، UVLO ، و OVLO ، إلخ.

LDOs الشعبية في السوق

كل شركة مصنعة للطاقة IC مثل Texas Instruments و Linear Technology وما إلى ذلك لديها أيضًا بعض الحلول لـ LDO. تمتلك شركة Texas Instruments نطاقًا واسعًا من LDO اعتمادًا على احتياجات التصميم المختلفة ، ويوضح الرسم البياني أدناه مجموعتها الضخمة من LDO مع نطاق واسع من تيار الإخراج والجهد الداخلي.

وبالمثل ، فإن التكنولوجيا الخطية ، من الأجهزة التناظرية ، لديها أيضًا بعض المنظمات عالية الأداء منخفضة التسرب.

LDO - مثال على التصميم

لننظر في حالة عملية يكون فيها LDO إلزاميًا. لنفترض أن هناك حاجة إلى حل منخفض التكلفة وبسيط وموفر للمساحة لتحويل خرج بطارية الليثيوم 3.7 فولت إلى مصدر ثابت 3.3 فولت 500 مللي أمبير مع حد تيار قصير وحماية حرارية. يحتاج حل الطاقة إلى الاتصال بمتحكم دقيق لتمكين أو تعطيل بعض الحمل ويمكن أن تكون الكفاءة 50-60٪. نظرًا لأننا بحاجة إلى حل بسيط ومنخفض التكلفة ، يمكننا استبعاد تصميمات منظم التبديل.

يمكن أن توفر بطارية الليثيوم 4.2 فولت أثناء حالة الشحن الكامل و 3.2 فولت في حالة فارغة تمامًا. لذلك ، يمكن التحكم في LDO لفصل الحمل في حالة الجهد المنخفض عن طريق استشعار جهد الدخل لـ LDO بواسطة وحدة التحكم الدقيقة.

للتلخيص ، نحتاج إلى جهد خرج 3.3 فولت ، 500 مللي أمبير من التيار ، تمكين خيار الدبوس ، عدد الأجزاء المنخفضة ، متطلبات تسرب حوالي 300-400 مللي فولت ، حماية ماس كهربائى مع ميزة الإغلاق الحراري ، لهذا التطبيق ، خياري الشخصي لـ LDO هو MCP1825 - منظم جهد ثابت 3.3 فولت بواسطة رقاقة دقيقة.

يمكن رؤية قائمة الميزات الكاملة في الصورة أدناه ، مأخوذة من ورقة البيانات -

يوجد أدناه مخطط الدائرة MCP1825 جنبًا إلى جنب مع الدبوس. يتم توفير المخطط أيضًا في ورقة البيانات ، وبالتالي ببساطة عن طريق توصيل بعض المكونات الخارجية مثل المقاوم والمكثف ، يمكننا بسهولة استخدام LDO الخاص بنا لتنظيم الجهد المطلوب بأقل جهد كهربائي.

LDO - إرشادات تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور

بمجرد الانتهاء من إزالة LDO واختباره للعمل من أجل التصميم الخاص بك ، يمكنك متابعة تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لدائرتك. فيما يلي بعض النصائح التي يجب أن تتذكرها أثناء تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور لمكونات LDO.

1. إذا تم استخدام حزمة SMD ، فمن الضروري توفير منطقة نحاسية مناسبة في مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور لأن LDOs تبدد درجات الحرارة.
2. سمك النحاس هو مساهم رئيسي في التشغيل الخالي من المتاعب. سيكون سمك النحاس 2 أوقية (70 ميكرون) خيارًا جيدًا.
3. يجب أن يكون C1 و C2 أقرب ما يمكن إلى MCP1825.
4. مطلوب مستوى الأرض السميك للقضايا المتعلقة بالضوضاء.
5. استخدم Vias لتبديد الحرارة بشكل صحيح في ثنائي الفينيل متعدد الكلور على الوجهين.