Comprendre le bas

Aujourd'hui, les appareils électroniques ont rétréci plus que jamais. Cela nous permet d'intégrer des tonnes de fonctionnalités dans des appareils portables compacts tels que des montres intelligentes, des trackers de fitness et d'autres appareils portables, cela nous aide également à déployer des appareils IoT à distance pour la surveillance du bétail, le suivi des actifs, etc. Une chose commune parmi tous ces appareils portables est qu'ils fonctionnent sur batterie. Et lorsqu'un appareil fonctionne sur batterie, il est important que les ingénieurs de conception choisissent des composants qui conservent chaque milli-volt dans leur conception pour faire fonctionner l'appareil plus longtemps avec le jus de batterie disponible. Un de ces composants est le régulateur de tension à faible chute (LDO). Dans cet article, nous en apprendrons plus sur LDO et comment sélectionner celui qui convient à la conception de votre circuit.

Qu'est-ce qu'un régulateur en électronique?

Un régulateur est un appareil ou un mécanisme bien conçu qui régule quelque chose, ici le quelque chose se réfère généralement à la tension du courant. Il existe deux types de régulateurs principalement utilisés en électronique, le premier est le régulateur à découpage et le second est le régulateur linéaire. Ils ont tous deux une architecture de travail et un sous-système différents, mais nous n'en parlerons pas dans cet article. Mais pour faire simple, si un régulateur contrôle le courant de sortie, on l'appelle un régulateur de courant. Par le même aspect, les régulateurs de tension sont utilisés pour contrôler la tension.

Différence entre LDO et régulateurs linéaires

Les régulateurs linéaires sont les appareils les plus couramment utilisés pour la régulation de l' alimentation électrique et la plupart d'entre nous seront familiers avec des appareils tels que 7805, LM317. Mais, l'inconvénient de l'utilisation d'un régulateur linéaire dans les applications fonctionnant sur batterie est qu'ici, la tension d'entrée d'un régulateur linéaire doit toujours être supérieure à la tension de sortie régulée. Cela signifie que les différences entre les tensions d'entrée et la tension de sortie sont élevées. Par conséquent, les régulateurs linéaires standard ont certaines limitations lorsque la tension de sortie régulée doit être une valeur proche de la tension d'entrée.

Fonctionnement d'un LDO

LDO fait partie de la dynastie des régulateurs linéaires. Mais, contrairement aux régulateurs linéaires normaux, dans un LDO, la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie est moindre. Cette différence est appelée tension de décrochage. Étant donné que le LDO a une tension de chute très faible, il est appelé régulateurs de tension de chute faible. Vous pouvez penser à un LDO et à une résistance linéaire montée en série avec la charge pour réduire la tension au niveau requis. L'avantage d'avoir un LDO est que la chute de tension à travers celui-ci sera bien inférieure à celle d'une résistance.

Étant donné que le LDO offre une faible tension de chute entre l'entrée et la sortie, il peut fonctionner même si la tension d'entrée est relativement proche de la tension de sortie. La chute de tension à travers un LDO sera comprise entre 300 mV et 1,5 V maximum. Dans certains LDO, les différences de tension sont même inférieures à 300 mV.

L'image ci-dessus montre une construction LDO simple où un système en boucle fermée est conçu. Une tension de référence est créée à partir de la tension d'entrée et envoyée à un amplificateur différentiel. La tension de sortie est détectée par un diviseur de tension et à nouveau envoyée à la broche d'entrée de l'amplificateur différentiel. En fonction de ces deux valeurs, la sortie de la tension de référence et la sortie du diviseur de tension, l'amplificateur produit une sortie. Cette sortie contrôle la résistance variable. Par conséquent, toute valeur de ces deux pourrait modifier la sortie de l'amplificateur. Ici, la référence de tension doit être stable pour détecter avec précision l'autre. Lorsque la tension de référence est stable, une petite variation de la tension de sortie se reflète sur l'entrée de l'amplificateur différentiel via le diviseur de résistance.L'amplificateur contrôle ensuite la résistance variable pour fournir une sortie stable. D'autre part, la référence de tension ne dépend pas de la tension d'entrée et fournit une référence stable à travers l'amplificateur différentiel, ce qui le rend insensible aux changements transitoires et rend également letension de sortie indépendante de la tension d'entrée. La résistance variable représentée ici sera normalement remplacée par un MOSFET ou JFET efficace dans la construction de l'actionneur. Les transistors bipolaires ne sont pas utilisés dans les LDO en raison des exigences supplémentaires de génération de courant et de chaleur, ce qui conduit à un rendement médiocre.

Paramètres à prendre en compte lors de la sélection de votre LDO

Caractéristiques de base

Comme il s'agit d'un dispositif essentiel pour assurer une alimentation électrique appropriée à la charge, la première caractéristique clé est la régulation de la charge et la stabilité de la sortie. Une régulation correcte de la charge est essentielle lors des changements de courant de charge. Lorsque la charge augmente ou diminue sa consommation de courant, la tension de sortie du régulateur ne doit pas fluctuer. La fluctuation de la tension de sortie est mesurée dans la gamme mV par ampère de courant et appelée précision. La précision de la tension de sortie d'un LDO va de 5 mV à 50 mV, quelques pourcentages de la tension de sortie.

Fonctions de sécurité et de protection

LDO offre des fonctions de sécurité de base en garantissant une alimentation électrique appropriée à travers la sortie. Les fonctions de sécurité sont prises en charge à l'aide de circuits de protection entre l'entrée et la sortie. Les circuits de protection sont la protection contre les sous-tensions (UVLO), la protection contre les surtensions (OVLO), la protection contre les surtensions, la protection contre les courts-circuits de sortie et la protection thermique.

Dans certaines situations, la tension d'entrée fournie au régulateur peut baisser considérablement ou augmenter à une valeur élevée. Cela entraîne une tension et une sortie de courant incorrectes du LDO qui endommageront notre charge. Si la tension d'entrée aux bornes du LDO est au-delà des limites, les protections UVLO et OVLO sont déclenchées pour protéger le LDO et la charge. La limite inférieure pour UVLO et les limites de tension d'entrée maximale peuvent être définies à l'aide de simples diviseurs de tension.

Le circuit de protection contre les surtensions offre des immunités au LDO contre les transitoires et les surtensions ou pics de tension. C'est également une fonctionnalité supplémentaire offerte par différents LDO. La protection contre les courts-circuits de sortie est une forme de protection contre les surintensités. Si la charge est court-circuitée, la fonction de protection contre les courts-circuits d'un LDO déconnecte la charge de l'alimentation d'entrée. La protection thermique fonctionne lorsque le LDO est chauffé. Pendant l'opération de chauffage, le circuit de protection thermique arrête le LDO de fonctionner pour éviter tout dommage supplémentaire.

Caractéristiques supplémentaires

Les LDO peuvent avoir deux broches de contrôle de niveau logique supplémentaires pour communiquer avec une entrée de microcontrôleur. Activez la broche souvent appelée EN et c'est une broche d'entrée du LDO. Un simple microcontrôleur peut changer l'état de la broche EN d'un LDO pour activer ou désactiver la sortie d'alimentation. Il s'agit d'une fonctionnalité pratique lorsque des charges doivent être activées ou désactivées à des fins d'application.

La broche Power Good est une broche de sortie du LDO. Cette broche peut également être connectée à une unité de microcontrôleur pour fournir une logique basse ou haute en fonction de la condition d'alimentation. Sur la base de l'état de la bonne broche d'alimentation, l'unité de microcontrôleur peut obtenir des informations sur l'état de l'alimentation à travers le LDO.

Limitations de LDO

Bien que LDO offre une sortie correcte à une tension de chute faible, il présente néanmoins certaines limites. La principale limitation du LDO est l' efficacité. Il est vrai que le LDO est meilleur que les régulateurs linéaires standard en termes de dissipation de puissance et d'efficacité, mais il reste un mauvais choix pour les opérations liées aux batteries portables où l'efficacité est la principale préoccupation. L'efficacité devient même médiocre si la tension d'entrée est nettement supérieure à la tension de sortie. La dissipation thermique augmente lorsque la chute de tension est plus élevée. L'énergie résiduelle excédentaire qui est transformée en chaleur et nécessite un dissipateur thermique, a entraîné une augmentation de la surface des PCB et un coût des composants. Pour une meilleure efficacité, les régulateurs à découpage restent le meilleur choix par rapport aux régulateurs linéaires, en particulier les LDO.

Dois-je utiliser LDO pour ma prochaine conception?

Comme les LDO offrent une tension de chute très faible, il est bon de sélectionner un LDO uniquement lorsque la tension de sortie souhaitée est très proche de la tension d'entrée disponible. Les questions ci-dessous peuvent vous aider à déterminer si la conception de votre circuit nécessite réellement un LDO

La tension de sortie souhaitée est-elle proche de la tension d'entrée disponible? Si oui, combien? Il est bon d'utiliser LDO si la différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie est inférieure à 300 mV
Est-ce que 50 à 60% d'efficacité est accepté pour l'application souhaitée?
Une alimentation à faible bruit est un besoin?
Si le coût est un problème et que le nombre de pièces est simple et réduit, la solution peu encombrante est nécessaire.
Sera-ce trop cher et trop encombrant d'ajouter un circuit de commutation?

Si vous avez répondu «OUI» à toutes les questions ci-dessus, alors LDO pourrait être un bon choix. Mais quelle sera la spécification du LDO? Eh bien, cela dépend des paramètres ci-dessous.

Tension de sortie.
Tension d'entrée minimale et maximale.
Courant de sortie.
Package des LDO.
Le coût et la disponibilité.
L'option Activer et Désactiver est requise ou non.
Options de protection supplémentaires requises pour l'application. Tels que la protection contre les surintensités, UVLO et OVLO, etc.

LDO populaires sur le marché

Chaque fabricant de circuits intégrés de puissance comme Texas Instruments, Linear Technology, etc. a également des solutions pour LDO. Texas Instruments propose une large gamme de LDO en fonction de divers besoins de conception, le tableau ci-dessous montre son immense collection de LDO avec une large gamme de courant de sortie et de tension d'entrée.

De même, la technologie linéaire des appareils analogiques dispose également de régulateurs à faible chute de haute performance.

LDO - Exemple de conception

Considérons un cas pratique dans lequel LDO sera obligatoire. Supposons qu'une solution économique, simple et peu encombrante soit nécessaire pour convertir la sortie de la batterie au lithium de 3,7 V en une source stable de 3,3 V 500 mA avec une limite de courant court et une protection thermique. La solution d'alimentation doit être connectée à un microcontrôleur pour activer ou désactiver une certaine charge et l'efficacité peut être de 50 à 60%. Puisque nous avons besoin d'une solution simple et peu coûteuse, nous pouvons exclure les conceptions de régulateur de commutation.

Une batterie au lithium peut fournir 4,2 V en condition de charge complète et 3,2 V en condition complètement vide. Par conséquent, le LDO peut être commandé pour déconnecter la charge en situation de basse tension en détectant la tension d'entrée du LDO par l'unité de microcontrôleur.

Pour résumer, nous avons besoin d'une tension de sortie de 3,3 V, d'un courant de 500 mA, d'une option d'activation de la broche, d'un faible nombre de pièces, d'exigences de chute d'environ 300 à 400 mV, d'une protection contre les courts-circuits de sortie et d'une fonction d'arrêt thermique, pour cette application, mon choix personnel de LDO est MCP1825 - Régulateur de tension fixe 3.3V par micropuce.

La liste complète des fonctionnalités peut être vue dans l'image ci-dessous, extraite de la fiche technique -

Vous trouverez ci-dessous le schéma de circuit du MCP1825 avec le brochage. Le schéma est également fourni dans la fiche technique, ainsi en connectant simplement quelques composants externes comme la résistance et le condensateur, nous pouvons facilement utiliser notre LDO pour réguler la tension requise avec une tension minimale dorp.

LDO - Directives de conception de circuits imprimés

Une fois que vous avez désactivé le LDO et l'avez testé pour qu'il fonctionne pour votre conception, vous pouvez procéder à la conception du PCB pour votre circuit. Voici les quelques conseils dont vous devez vous souvenir lors de la conception d'un PCB pour les composants LDO.

Si un boîtier SMD est utilisé, il est essentiel de fournir une zone de cuivre appropriée dans les PCB car les LDO dissipent la chaleur.
L'épaisseur du cuivre est un facteur majeur d'un fonctionnement sans problème. L'épaisseur de cuivre de 2 oz (70um) sera un bon choix.
C1 et C2 doivent être aussi proches que possible du MCP1825.
Le plan de masse épais est nécessaire pour les problèmes liés au bruit.
Utilisez Vias pour une bonne dissipation de la chaleur dans les circuits imprimés double face.