آموزش الکترونیکالکترونیک

درک رگولاتور ولتاژ با افت کم (LDO) و اهمیت آن در باتری

امروزه اندازه دستگاه های الکترونیکی نسبت به قبل کاهش یافته است. این به ما این امکان را می دهد که مجموعه ای از ویژگی ها را در دستگاه های قابل حمل جمع و جور، مانند ساعت های هوشمند، ردیاب های سلامتی و سایر دستگاه های قابل حمل بسته بندی کنیم، همچنین به ما کمک می کند تا دستگاه های اینترنت اشیا کنترل از راه دور را برای نظارت بر احشام، ردیابی دارایی و غیره مستقر کنیم. یک نکته مشترک در بین همه این دستگاه های قابل حمل این است که با باتری کار می کنند و هنگامی که دستگاهی با باتری کار می کند، برای مهندسان طراح مهم است که اجزایی را که در هر میلی ولت در طراحی خود حفظ می کنند، انتخاب کنند تا دستگاه را برای مدت طولانی تری با جوهر باتری موجود اجرا کنند. چنین مولفه هایی، تنظیم کننده ولتاژ با افت (LDO)  کم است. در این مقاله ما درباره LDO و نحوه انتخاب مورد مناسب برای طراحی مدار خود بیشتر خواهیم آموخت.

رگولاتور چیست ؟

رگولاتور، دستگاه یا مکانیزمی با طراحی مناسب است که چیزی را تنظیم می کند، در اینجا چیزی معمولاً به ولتاژ جریان اشاره دارد. دو نوع رگولاتور وجود دارد که عمدتاً در الکترونیک استفاده می شود، اولین رگولاتور سوئیچینگ و دوم رگولاتور خطی است. هر دوی آن ها از معماری و زیر سیستمِ کاری متفاوتی برخوردارند، اما ما نمی خواهیم در این مقاله درباره آن ها بحث کنیم. به بیان ساده، اگر یک رگولاتور جریان خروجی را کنترل می کند، آن را رگولاتور جریان می نامند. به همین ترتیب، رگولاتور های ولتاژ برای کنترل ولتاژ استفاده می شوند.

پیشنهاد میکنم مقاله رگولاتور جریان را بخوانید.

تفاوت رگولاتور LDO و خطی

رگولاتور های خطی، رایج ترین دستگاه هایی هستند که برای تنظیم منبع تغذیه استفاده می شوند و بیشتر ما با دستگاه هایی مانند 7805، LM317 آشنا خواهیم شد. اما نکته منفی استفاده از رگولاتور خطی در برنامه های کاربردی با باتری، این است که در اینجا ولتاژ ورودی یک رگولاتور خطی، همیشه بیشتر از ولتاژ خروجی تنظیم شده است. یعنی اختلاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی زیاد است. بنابراین، رگولاتور های خطی استاندارد، محدودیت هایی دارند که ولتاژ خروجی تنظیم شده باید مقدار نزدیکی به ولتاژ ورودی باشد.

نحوه کار LDO

LDO  بخشی از سلسله رگولاتور های خطی است. اما، برخلاف رگولاتور های معمولی خطی، در یک LDO اختلاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی کمتر است. این اختلاف به عنوان ولتاژ ترک تحصیل نامیده می شود. از آنجا که LDO ولتاژ ترک تحصیل بسیار کمی دارد، از آن به عنوان رگلاتور های ولتاژ با افت کم یاد می شود. شما می توانید LDO  را یک مقاومت خطی بدانید که به صورت سری با بار، برای کاهش ولتاژ به سطح مورد نیاز، قرار میگیرد. مزیت داشتن LDO این است که افت ولتاژ در آن بسیار کمتر از یک مقاومت است.

برای یادگیری کامل آردوینو ، روی دوره آموزش آردوینو و برای یادگیری کامل الکترونیک، روی دوره آموزش الکترونیک کلیک کنید.

نحوه کار LDO

از آنجا که LDO افت ولتاژ بین ورودی و خروجی را ارائه می دهد، حتی اگر ولتاژ ورودی نسبتاً نزدیک به ولتاژ خروجی باشد، می تواند کار کند. افت ولتاژ در LDO حداکثر بین mV 300 تا V 1.5 خواهد بود. در بعضی از LDO ها، اختلاف ولتاژ حتی کمتر از mV 300 است.

مطلب پیشنهادی:  مقاومت پول آپ و پول دان چیست؟ بررسی مقاومت پولاپ

درک رگولاتور ولتاژ با افت کم

تصویر بالا ساختاری ساده از LDO را نشان می دهد که در آن سیستم حلقه بسته طراحی شده است. یک ولتاژ مرجع از ولتاژ ورودی ایجاد شده و به یک آمپلی فایر دیفرانسیل تغذیه می شود. ولتاژ خروجی توسط یک تقسیم کننده ولتاژ احساس شده و دوباره به پین ورودی آمپلی فایر دیفرانسیل تغذیه می شود. بسته به این دو مقدار، خروجی از ولتاژ مرجع و خروجی از تقسیم کننده ولتاژ، آمپلی فایر خروجی تولید می کند. این خروجی مقاومت متغیر را کنترل می کند. از این رو، هر مقدار از این دو می تواند خروجی آمپلی فایر را تغییر دهد.

در اینجا مرجع ولتاژ برای پایداری لازم است حس دقیق دیگری را حس کند. هنگامی که ولتاژ مرجع پایدار است، تغییرات کوچکی ولتاژ خروجی از طریق تقسیم کننده مقاومت، بر روی ورودی آمپلی فایر دیفرانسیل منعکس می شود. سپس آمپلی فایر مقاومت متغیر را کنترل می کند تا یک خروجی پایدار فراهم کند. از طرف دیگر، مرجع ولتاژ وابسته به ولتاژ ورودی نیست و مرجع پایدار را در سراسر آمپلی فایر دیفرانسیل ایجاد می کند و آن را از تغییرات گذرا مصون می کند و همچنین ولتاژ خروجی را از ولتاژ ورودی مستقل می کند. مقاومت متغیر نشان داده شده در اینجا به طور معمول با یک ماسفت یا JFET کارآمد در ساختار فعلی جایگزین می شود. ترانزیستور (ترانزیستور چیست؟) های دو قطبی به دلیل نیاز های اضافی تولید جریان و گرما، که منجر به بازده ضعیفی می شوند، در LDO استفاده نمی شوند.

پارامتر های مهم هنگام انتخاب LDO

ویژگی های اصلی

از آنجا که این یک وسیله ضروری برای اطمینان از تحویل مناسب برق به بار است، اولین ویژگی اصلی، تنظیم بار و خروجی پایدار است. تنظیم مناسب بار در هنگام تغییرات جریان بار ضروری است. هنگامی که بار مصرف جریان آن را افزایش یا کاهش می دهد، ولتاژ خروجی از رگولاتور نباید نوسان کند. نوسان ولتاژ خروجی در دامنه mV در هر آمپر جریان اندازه گیری می شود و به عنوان دقت نامیده می شود. دقت ولتاژ خروجی یک LDO  از محدوده mV 5 تا mV 50 ، چند درصد ولتاژ خروجی است.

ویژگی های ایمنی و حفاظتی

LDO با اطمینان از تحویل صحیح برق از طریق خروجی، ویژگی های اساسی ایمنی را ارائه می دهد. ویژگی های ایمنی با استفاده از مدارهای محافظ در ورودی و خروجی جای می گیرند. مدارهای حفاظتی به عنوان ولتاژ حفاظت (UVLO)، ولتاژ بیش از حد (OVLO)، حفاظت از ولتاژ، خروجی محافظت از اتصال کوتاه و حفاظت حرارتی هستند.

در برخی شرایط، ولتاژ ورودی ارائه شده به رگولاتور ممکن است به طور قابل توجهی پایین بیاید یا به مقدار زیاد برسد. این منجر به ولتاژ و جریان نامناسب خروجی از LDO می شود که به بار ما آسیب می رساند. اگر ولتاژ ورودی در LDO بیش از حد باشد، محافظت در برابر UVLO و OVLO برای محافظت از LDO و بار تحریک می شود. حد پایین ولتاژ UVLO و حداکثر ولتاژ ورودی را می توان با استفاده از تقسیم کننده های ولتاژ ساده تنظیم کرد.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

مدار محافظت در برابر موج، باعث ایجاد مصونیت در برابر LDO از حالت گذرا و ولتاژ بالا موج یا ولتاژ حالت گذرا کوتاه مدت می شود. همچنین این یک ویژگی اضافی است که توسط LDO های مختلف ارائه می شود. حفاظت از اتصال کوتاه خروجی نوعی حفاظت از جریان اضافی است. در صورت کوتاه شدن بار، ویژگی محافظت از اتصال کوتاه LDO ، بار را از منبع تغذیه ورودی جدا می کند. حفاظت حرارتی هنگامی که LDO گرم می شود کار می کند. در حین کار گرم کردن، مدار محافظت حرارتی برای جلوگیری از آسیب بیشتر به آن، LDO را متوقف می کند.

مطلب پیشنهادی:  ساخت شارژر باتری 12 ولت با آردوینو (منبع تغذیه 12v)

ویژگی های اضافی

LDO ها می توانند دارای دو پین کنترل سطح منطقی اضافی برای برقراری ارتباط با ورودی میکروکنترلر باشند. فعال سازی پین اغلب به عنوان EN شناخته می شود و این یک پین ورودی LDO است. یک میکروکنترلر ساده می تواند حالت پین EN یک LDO را تغییر دهد تا توان خروجی را فعال یا غیرفعال کند. این ویژگی هنگامی مفید است که بارها برای اهداف برنامه باید روشن یا خاموش شوند.

پین  Power Good، یک پین خروجی از LDO است. این پین همچنین می تواند با یک واحد میکروکنترلر متصل شود تا بسته به شرایط، برق منطقی کم یا زیاد را ارائه دهد. بر اساس حالت پین خوب، واحد میکروکنترلر می تواند اطلاعات مربوط به وضعیت قدرت را در LDO بدست آورد.

محدودیت های LDO

اگرچه LDO خروجی مناسبی را در افت ولتاژ کم ارائه می دهد، اما هنوز هم محدودیت هایی دارد. عمده ترین محدودیت LDO کارایی است. درست است که LDO از نظر اتلاف انرژی و کارایی بهتر از رگولاتور های خطی استاندارد هستند اما هنوز هم برای عملکرد های مربوط به باتری های قابل حمل که بازده، اصلی ترین نگرانی است، یک انتخابی ضعیف است. اگر ولتاژ ورودی به طور قابل توجهی بالاتر از ولتاژ خروجی باشد، بازده نیز ضعیف می شود. با افت ولتاژ، اتلاف گرما افزایش می یابد. انرژی زائد اضافی ای که به صورت گرما تبدیل شده و به گرماگیر احتیاج دارد، منجر به افزایش سطح PCB و همچنین متحمل شدن هزینه مولفه می شود. برای کارایی بهتر، رگولاتور های سوئیچینگ همچنان بهترین انتخاب نسبت به رگولاتور های خطی به ویژه LDO هستند.

مزایا استفاده از رگولاتور ولتاژ با افت کم

از آنجا که LDO افت ولتاژ بسیار ناچیزی را ارائه می دهد، خوب است که LDO را فقط در مواردی انتخاب کنید که ولتاژ خروجی مورد نظر بسیار نزدیک به ولتاژ ورودی موجود باشد. سوالات زیر می تواند به شما کمک کند تا تعیین کنید که آیا در طراحی مدار واقعاً به LDO  نیاز دارد یا خیر.

  1. آیا ولتاژ خروجی مورد نظر نزدیک به ولتاژ ورودی موجود است؟ اگر بله، پس چقدر؟ اگر اختلاف بین ولتاژ ورودی و ولتاژ خروجی کمتر از mV 300 باشد، استفاده از LDO مناسب است.
  2. آیا 50 60٪ بازده برای برنامه مورد نظر پذیرفته شده است؟
  3. منبع تغذیه کم صدا لازم است؟
  4. اگر هزینه یک مشکل است و ساده، تعداد بخش پایین، راه حل صرفه جویی در فضا لازم است؟
  5. آیا افزودن مدار سوئیچینگ، بسیار پر هزینه و حجیم خواهد بود؟

اگر به همه سوالات بالا ” بله ” پاسخ داده باشید، LDO می تواند انتخاب مناسبی باشد. اما مشخصات LDO چه خواهد بود؟ خوب، این به پارامترهای زیر بستگی دارد.

  • ولتاژ خروجی
  • بیشینه و کمینه ولتاژ ورودی
  • پکیج LDO ها
  • هزینه و قابلیت دسترسی
  • آپشن فعال سازی یا غیرفعال سازی مورد نیاز است یا خیر
  • آپشن های محافظتی اضافی که برای برنامه لازم است، مانند محافظت بیش از حد، UVLO و OVLO و غیره.

LDO های محبوب

هر یک از تولید کنندگان IC قدرت مانند  Texas Instruments، Linear Technology و غیره همچنین راه حل هایی برای LDO دارند. Texas Instruments  بسته به نیاز های مختلف طراحی، دارای طیف وسیعی از LDO است، نمودار زیر مجموعه عظیمی از LDO با طیف گسترده ای از جریان خروجی و ولتاژ ورودی را نشان می دهد.

مطلب پیشنهادی:  ارتباط سریال چیست؟ انواع پروتکل های ارتباط سریال

به طور مشابه، فناوری خطی، از دستگاه های آنالوگ همچنین دارای برخی عملکرد بالا با رگولاتور های افت کم است.

طراحی نمونه LDO

بیایید یک مورد عملی ای را در نظر بگیریم که در آن LDO اجباری خواهد بود. فرض کنید برای تبدیل باتری لیتیوم 3.7 ولت به منبع پایدار 3.3 ولت 500 میلی آمپر با محدودیت جریان کوتاه و محافظت حرارتی، به یک راه حل مقرون به صرفه و کم هزینه نیاز باشد. برای فعال یا غیرفعال سازی برخی از بارها، راه حل برق باید با میکروکنترلر متصل شود و بازده می تواند 50-60٪ باشد. از آنجا که ما به یک راه حل ساده و کم هزینه نیاز داریم، می توانیم طراحی رگولاتور های سوئیچینگ را رد کنیم.

یک باتری لیتیومی می تواند 4.2 ولت در حالت شارژ کامل و 3.2 ولت در شرایط کاملا خالی را تأمین کند. بنابراین، می توان LDO را طوری کنترل کرد که در موقعیت ولتاژ کم، بار را با حس کردن ولتاژ ورودی LDO توسط واحد میکروکنترلر، قطع کند.

به طور خلاصه، به ولتاژ خروجی 3.3 ولت، 500 میلی آمپر جریان، آپشن فعال سازی پین، تعداد کم قطعات، حدود 300 – 400 میلی ولت برای افت مورد نیاز، حفاظت از اتصال کوتاه خروجی به همراه ویژگی خاموش شدن حرارتی نیاز داریم، برای این برنامه انتخاب شخصی من از LDO MCP1825-3.3  ولت رگولاتور ولتاژ ثابت توسط میکروچیپ است.

ویژگی های رگولاتور ولتاژ با افت کم

  • گنجایش خروجی جریان 500 میلی آمپر
  • محدوده ولتاژ اجرایی ورودی : 2.1 تا 6.0 ولت
  • محدوده ولتاژ خروجی قابل تطبیق : 0.8 تا 5.0 ولت ( تنها MCP1825 )
  • ولتاژ خروجی ثابت استاندارد : 0.8 ، 1.2 ، 1.8 ، 2.5 ، 3.0 ، 3.3 ، 5.0 ولت
  • دیگر آپشن های دردسترس ولتاژ خروجی ثابت بنا به درخواست
  • افت ولتاژ کم : 210 میلی آمپر عادی 500 میلی آمپر
  • تلرانس ولتاژ خروجی عادی : % 0.5
  • پایدار با 1.0 میکروفاراد خازن خروجی سرامیک
  • پاسخ سریع به حالت گذرا بار
  • جریان اعمالی کم : 120 میکروفاراد (عادی)
  • جریان اعمالی خاموش کم : 0.1 میکروفاراد (عادی) (تنها MCP1825)
  • تاخیر ثابت بر روی خروجی Power Good (تنها MCP1825)
  • محدودیت و دمای بیش از حد جریان اتصال کوتاه
  • TO-263-5 (DDPAK-5), TO-220-5, SOT-223-5 آپشن های پکیج (MCP1825)
  • TO-263-3 (DDPAK-3), TO-220-3, SOT-223-3 آپشن های پکیج (MCP1825S)

در زیر نمودار، مدار MCP1825 همراه با پین اوت آورده شده است. این شماتیک در صفحه داده نیز ارائه شده است، بنابراین به سادگی با اتصال چند مولفه خارجی مانند مقاومت و خازن به راحتی می توانیم از LDO خود برای تنظیم ولتاژ مورد نیاز با حداقل افت ولتاژ استفاده کنیم.

مدار استفاده از رگولاتور ولتاژ با افت کم

دستورالعمل طراحی LDO – PCB

هنگامی که LDO را انتخاب کردید و آن را آزمایش کردید تا برای طراحی شما کار کند، می توانید طراحی PCB را برای مدار خود ادامه دهید. موارد زیر چند نکته ای است که باید هنگام طراحی PCB برای اجزای LDO به خاطر بسپارید.

  1. در صورت استفاده از پکیج SMD، تهیه یک بخش مس مناسب در PCB ، از آنجا که LDO باعث گرم شدن می شود، ضروری است.
  2. ضخامت مس یکی از عوامل اصلی در کارکرد بدون مشکل است. ضخامت مس 2 Oz (70um) انتخاب خوبی خواهد بود.
  3. C1 و C2 باید تا حد امکان به MCP1825 نزدیک باشند.
  4. صفحه ضخیم زمین برای مسائلی مربوط به سر و صدا مورد نیاز است.
  5. برای دفع مناسب گرما در PCB های دو طرفه، از Vias استفاده کنید.

میخواهید برنامه نویسی STM32 را یاد بگیرید؟

دوره آموزش STM32

میخواهید الکترونیک را یاد بگیرید؟

دوره آموزش الکترونیک
دوره آموزش آردوینو

میخواهید آردوینو را به صورت پروژه محور یاد بگیرید؟ برای مشاهده توضیحات روی دوره مورد نظر کلیک کنید

برای دریافت مطالب جدید در کانال تلگرام یا پیج اینستاگرام آیرنکس عضو شوید.

محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید) سعی میکنم تمام نظرات را پاسخ دهم.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *