LDO-Schaltung:Grundlagen, Arbeitsprinzip und Anwendungen

Entwerfen Sie eine Leistungsregelungsstrategie für Ihre Leiterplatte? Oder arbeiten Sie daran, eine kundenspezifische Stromversorgung für Ihr Board zu erstellen? Wenn ja, ist es wichtig, darüber nachzudenken, wie Sie die Leistung, die Sie an Ihre Komponenten senden, am besten steuern können. Und das gilt – insbesondere, wenn Sie es mit digitalen Hochgeschwindigkeitssystemen zu tun haben. Also spielt die Stromquelle eine Rolle? Unabhängig davon, ob Sie Strom aus einer Netzspannung oder einer Batterie beziehen – es ist wichtig, die Eingangsleistung auf das beste Niveau für Ihr System zu steuern. Wenn Sie beispielsweise Strom aus einer Batterie verwenden, ist eine LDO-Schaltung ideal. Und das liegt daran, dass der Linearregler eine ausreichende Spannung liefert. Außerdem bietet es eine niedrigere Dauerspannung als die Eingangsspannung.

Wir werden jedoch mehr über das LDO sprechen, indem wir seine Elemente, Arbeitsprinzipien, Anwendungen und mehr hervorheben.

Fangen wir an!

Was ist LDO?

LDO ist ein Akronym, das Low Dropout bedeutet. Man kann ihn auch als Sättigungs- oder verlustarmen Linearregler bezeichnen. Und es funktioniert bei einer niedrigen PD (Potenzialdifferenz) zwischen Eingangs- und Ausgangsspannungsversorgung.

Der LDO-Regler kann nur Eingangsspannungen aufnehmen, die etwas größer sind als die bevorzugte Ausgangsspannung. Und das liegt daran, dass das Gerät ein Step-Down-DC-DC-Wandler mit variabler Eingangsspannung ist. Die Dropout-Spannung bezieht sich also auf die geringste Varianz, die die Eingangs- und die bevorzugte Ausgangsspannung oder den Stromversorgungseingang verbindet.

Darüber hinaus kann es unabhängig von der geringen Energieeffizienz des Geräts stabil mit einer niedrigen Dropout-Spannung von ~1 V betrieben werden. Der lineare Spannungsregler kann auch verschiedene Spannungspegel mit einem stabilen und konstanten Ausgang bieten.

Außerdem ist die Ausgangsspannung des LDO unabhängig von Entladung, Temperatur, Verlustleistung und Lastimpedanz der Batterie. Ihre Lithium-Ionen-Batterie hat beispielsweise einen Eingangsspannungsbereich von 2,7 V bis 4,2 V. Die 2,7 V bedeuten eine vollständig entladene Batterie, während die 4,7 V eine vollständig geladene Batterie sind. Wenn also Ihre Batteriespannung unter 3 V sinkt, kann der LDO Ihren Ausgang auf 2,5 V halten.

Was sind die Elemente des LDO-Regulators?

Zu den Elementen oder Schlüsselkomponenten eines LDO gehören:

Fehlerverstärker

Fehler Verstärker im Schaltplan

Quelle:Wikimedia Commons

Wenn Sie den Fehlerverstärker des LDO entwerfen möchten, ist es wichtig, den geringstmöglichen Strom zu ziehen. Wieso den? Weil die Gate-Kapazität des Durchgangstransistors groß ist. Daher sollte der Ausgangswiderstand des Verstärkers sehr niedrig sein.

Außerdem hat der Fehlerverstärker zwei Eingänge. Der erste ist, wenn der Spannungsteiler die Ausgangsspannung niedriger skaliert. Dann ist die Referenzspannung als nächstes dran. Wenn der Vergleich beider Eingänge abgeschlossen ist, ändert der Fehlerverstärker den Widerstand des Durchgangselements.

Pass-Element

Element im Schaltplan übergeben

Quelle:Wikimedia Commons

Der Fehlerverstärker treibt das Durchgangselement innerhalb der Rückkopplungsschleife. Und das Durchgangselement hilft dabei, die Spannung vom Eingang in die Last zu verschieben. Außerdem können Sie NMOS und PMOS als Durchgangselemente verwenden.

Wenn Sie sich die Schaltung genau ansehen, werden Sie feststellen, dass die V_o(s) mit den V_1(s) verbinden . Außerdem benötigt der PMOS-Transistor eine Mindestspannung, um richtig zu regeln, und bleibt durchnässt.

Und die kleinste Drain-Source-Spannung V_2(s) ist dafür verantwortlich, die geringste Spannung zu liefern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass das PMOS-Durchgangselement nicht ideal für Geräte mit extrem niedriger Spannung ist.

Außerdem können Sie mit dem NMOS-Transistor eine niedrige Dropout-Spannung, Ausgabe und Eingabe erhalten. Der LDO-Vorteil auf Pass-Element-Basis (NMOS) besteht darin, dass der Ausgang des Reglers in der Source des Transistors liegt. Außerdem tritt das NMOS in die Source-Follower-Konfiguration ein.

Spannungsreferenz

Dieses Element bezieht sich auf den Startpunkt eines beliebigen Reglers, da es den Arbeitspunkt des Fehlerverstärkers festlegt. Sie können auch eine Spannungsreferenz vom Bandlückentyp verwenden, da sie das Arbeiten bei niedrigen Versorgungsspannungen ermöglicht.

Ausgangskondensator

Leistungsstarker Ausgangskondensator

Quelle:Wikimedia Commons

Im Falle von Lasttransienten ermöglicht der Ausgangskondensator dem LDO, Strom innerhalb der Last zu bewegen – und der Fehlerverstärker wird gesetzt.

Auch der ESR des Kondensators spielt eine große Rolle, da er den Spannungsfluss begrenzt, der vom Kondensator in die Last fließt. Wenn Sie also mit einem 1-µF-Kondensator arbeiten, der einen ESR-Bereich (10 bis 300 mOhm) hat, können Sie die folgenden Kondensatortypen verwenden:

• Tantalkondensatoren mit niedrigem ESR
• Keramikkondensatoren
• Polymer-Elektrolytkondensatoren

Feedback

Dieses Element hilft Ihnen, die Ausgangsspannung herunterzuskalieren. Außerdem ermöglicht es den Vergleich zwischen Referenz- und Ausgangsspannung mit Hilfe des Fehlerverstärkers.

Funktionen des LDO

1. Der rauscharme Regler kann eine konstante Spannung ausgeben. Und das ohne von der Änderung der Eingangsspannung beeinflusst zu werden. Damit eignet sich der LDO perfekt zur Spannungsversorgung rauschanfälliger Geräte.
2. Das Gerät benötigt einige externe Komponenten (Widerstände oder Kondensatoren).
3. LDO hat eine Strombegrenzungsfunktion, die Systeme vor übermäßiger Hitze schützt.
4. LDO hat eine Ausgangsentladungsschaltung, die hilft, sich schnell zu entladen und die Ausgangsklemmenspannung nahe an IC GND zu senken.
5. Das Gerät verfügt über eine thermische Abschaltfunktion und hilft, Zerstörung und Verschlechterung zu vermeiden.

Wie funktioniert der LDO?

Schaltplan des LDO-Spannungsreglers

Die Hauptkomponenten des LDO sind die Referenzspannungsquelle, das Durchgangselement und der Fehlerverstärker. Und das Durchgangselement ist entweder ein P-Kanal-FET oder ein N-Kanal. Es beginnt also mit dem Anlegen der Eingangsspannung an das Durchgangselement (N-Kanal-Transistor).

Dann arbeitet der Transistor in einem linearen Bereich, um die Eingangsspannung zu verringern. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Eingangsspannung die bevorzugte Ausgangsspannung erreicht. An diesem Punkt erkennt der Fehlerverstärker die resultierende Ausgangsspannung. Anschließend vergleicht der Fehlerverstärker die beiden Parameter (Ausgangs- und Referenzspannung).

Außerdem ändert der Fehlerverstärker das Gate des FET auf den richtigen Arbeitspunkt. Folglich hilft es sicherzustellen, dass der Ausgang eine genaue Spannung hat. Daher passt der Fehlerverstärker den FET so an, dass er eine konstante Ausgangsspannung hat, wenn sich die Eingangsspannung ändert.

Was passiert bei stationären Betriebsbedingungen? Nun, der LDO fungiert als einfacher Widerstand. Außerdem können Sie den Regler mit seinem Enable-Pin ein- oder ausschalten. Diese Funktion hilft Benutzern, Batterieverbrauch zu vermeiden – wenn der LDO nicht verwendet wird.

Wann verwenden Sie einen LDO?

1. Wenn Sie einen großen Eingangsspannungsbereich haben, ist der LDO ideal. Es ist jedoch wichtig, einen stabilen Spannungsausgang von der Stromversorgung zu erhalten. Außerdem müssen Sie das PWM-Signal in der Rückkopplungsschleife nicht anpassen. Und das liegt daran, dass die Komponenten keine Rückkopplung zum Schaltelement benötigen.
2. Sie können einen LDO verwenden, wenn Ihr System eine konstante Ausgangsleistung haben muss – unabhängig vom Eingangsspannungsabfall.
3. Der LDO ist auch nützlich, um den Ausgang zu reduzieren, um ihn an die bevorzugte Ausgangsspannung anzupassen.

Andere fortschrittliche LDO-Schaltungen

Ein fortschrittlicher LDO zielt darauf ab, eine vom Benutzer wählbare Referenzspannung bereitzustellen. Diese Funktion macht das Gerät programmierbar.

Typischerweise kann der LDO hohe Frequenzen zur Erde umleiten. Und das alles dank des Shunt-Kondensators diagonal zum Ausgang. Schaltungsdesigner achten jedoch mehr auf die Filterung des Ausgangs eines mehrstufigen Reglers. Leider konzentrieren sie sich nicht auf die Eingabefilterung.

Daher können Sie Ihren LDO mit EMI-Filtern verstärken. Auf diese Weise ist Ihr Gerät EMV/CISPR-konform. Interessanterweise ist diese Funktion entscheidend für die Erzeugung von Oberschwingungen höherer Ordnung mit Schaltreglern.

Darüber hinaus können Sie auch andere notwendige Aspekte hinzufügen, um die Stromverteilung für Ihr System (analog und digital) zu verbessern.

Wichtige Parameter zur Auswahl eines LDO

Hier sind wichtige Parameter, die vor der Auswahl eines LDO zu berücksichtigen sind:

Laderegelung

Dieser Parameter bezieht sich auf die Fähigkeit der Schaltung, eine bestimmte Ausgangsspannung unter verschiedenen Lastbedingungen aufrechtzuerhalten.

Laderegelung =∆Vout/ ∆Iout

Ruhestrom

Ruhe ist ein Ruhezustand. Daher ist ein Ruhestrom, wenn ein System im Standby-Modus Strom zieht. Dies geschieht auch nur, wenn eine Batterie an Ihr Gerät angeschlossen wird.

Einschwingverhalten

Einschwingverhalten beschreibt die höchstzulässige Ausgangsspannungsdifferenz bei einem Laststromsprung. Sie können auch die Leitungssprungantwort aufrufen. Und dieser Parameter ist eine Funktion von:

Maximaler Laststrom (I_{out max} )

ESR des Ausgangskondensators

Ausgangskondensatorwert (C_out )

Bypass-Kondensator (C_b )

Die Gleichung des Einschwingverhaltens lautet:

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

Linienregelung

Die Leitungsregelung ist die Fähigkeit einer Schaltung, eine bestimmte Ausgangsspannung bei unterschiedlicher Eingangsspannung beizubehalten. Und Sie können es ausdrücken als:

Linienregelung =∆Vout / ∆Vin

PSRR (Netzteilunterdrückungsverhältnis)

Das PSSR eines LDO ist, wenn das Gerät AC-Elemente verwerfen kann. Ein gutes Beispiel für AC-Elemente ist die Brummspannung. Sie können es also mit der folgenden Gleichung ausdrücken:

PSRR (dB) =20 log (Vripple (in)/ Vripple (out))

Anwendungen der LDO-Schaltung

Sie können die LDO-Schaltung in den folgenden Anwendungen verwenden:

• Hocheffiziente lineare Netzteile
• Computer
• SMPS-Nachregler und DC/DC-Module
• Drahtlose und kabelgebundene Kommunikation
• Automobilanwendung
• Batteriebetriebene Geräte
• VPP-Verordnung/ PCMCIA VCC
• Industrielle Anwendung
• Digitalkernversorgung

Schlussworte

Die LDO-Schaltung spielt eine bedeutende Rolle in der Elektronikindustrie. Schließlich benötigen die meisten Netzteile einen Linearregler, um eine bevorzugte Spannung zu erhalten. Somit ist das Gerät ideal für Projekte, die unabhängig vom Eingangsspannungsabfall eine konstante Ausgangsleistung erfordern.

Sie können auch auf den Schaltplan verweisen, um die Hauptkomponenten zu verstehen. Was halten Sie von den LDO-Regulatoren? Bitte zögern Sie nicht, uns für weitere Informationen zu kontaktieren.