在物联网系统中,使用线性电源芯片(LDO,Low Dropout Regulator)的原因主要可以归纳为以下几点:
低功耗与高效率
低压差:LDO能够在输入电压与输出电压之间保持较低的压差,这意味着在转换电压时耗散的能量较少,从而提高了电源效率。这对于依赖电池供电的物联网设备尤为重要,有助于延长设备的电池寿命。
静态电流低:LDO在待机或轻载条件下消耗的电流较低,这进一步减少了设备的能耗。
高稳定性
输出电压稳定:LDO通过内部反馈机制,能够精确控制输出电压,确保在各种负载条件下都能保持稳定。这对于需要稳定电源供电的物联网设备(如传感器、微控制器等)至关重要。
良好的线性调整率和负载调整率:LDO在输入电压或负载电流变化时,能够保持输出电压的稳定,减少波动,提高系统的可靠性。
低噪声
LDO的噪声性能较好,有助于降低物联网设备的噪声干扰。这对于需要高精度数据采集和处理的物联网应用尤为重要,如医疗监测、环境监测等领域。
简单易用
外围电路简单:LDO的使用相对简单,通常只需在外围添加少量电容即可工作,无需复杂的控制电路。这降低了电路设计的复杂性和成本。
封装小:LDO芯片通常采用小封装设计,便于在物联网设备中紧凑布局,节省空间。
成本效益
尽管在某些高功率应用中,开关电源可能具有更高的效率,但在物联网领域,由于设备数量众多且对成本敏感,LDO因其低成本和高集成度而具有显著优势。通过选择合适的LDO型号和优化电路设计,可以在满足性能要求的同时降低成本。
保护机制
部分LDO还具备过流保护、过热关断等安全机制,能够在异常情况下保护电路和设备免受损坏,提高系统的可靠性和安全性。
综上所述,LDO因其低功耗、高效率、高稳定性、低噪声、简单易用以及成本效益等优点,在物联网系统中得到了广泛应用。随着物联网技术的不断发展,LDO在无线传感器电源设计中的应用将更加广泛,为物联网应用提供更加高效、可靠的电源解决方案。
本文会再为大家详解电源芯片家族中的一员——线性电源芯片(LDO)。
1.线性电源芯片(LDO)的简介
LDO(low dropout regulator,低压差线性稳压器)。这是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器,如78XX系列的芯片都要求输入电压要比输出电压至少高出2V~3V,否则就不能正常工作。但是在一些情况下,这样的条件显然是太苛刻了,如5V转3.3V,输入与输出之间的压差只有1.7v,显然这是不满足传统线性稳压器的工作条件的。针对这种情况,芯片制造商们才研发出了LDO类的电压转换芯片。
2.线性电源芯片(LDO)的分类
PMOS LDO:
常见的LDO是由P管构成的,由于LDO效率比较低,因此一般不会走大电流。
NMOS LDO:
针对某些大电流低压差需求的场合,NMOS LDO应运而生。
传统PNP LDO:
正输出电压的LDO(低压降)稳压器通常使用功率晶体管(也称为传递设备)作为 PNP。这种晶体管允许饱和,所以稳压器可以有一个非常低的压降电压,通常为 200mV 左右。
传统NPN LDO:
使用 NPN 复合电源晶体管的传统线性稳压器的压降为 2V 左右。负输出 LDO 使用 NPN 作为它的传递设备,其运行模式与正输出 LDO 的 PNP设备类似。
3.线性电源芯片(LDO)的工作原理
LDO=low dropout regulator,低压差+线性+稳压器。
低压差: 输出压降比较低,例如输入3.3V,输出可以达到3.2V。
线性: LDO内部的MOS管工作于线性电阻。
稳压器: 说明了LDO的用途是用来给电源稳压。
3.1内部结构
以PMOS LDO为例:
LDO内部基本都是由4大部件构成,分别是分压取样电路、基准电压、误差放大电路和晶体管调整电路。
分压取样电路: 通过电阻R1和R2对输出电压进行采集;
基准电压:通过bandgap(带隙电压基准)产生的,目的是为了温度变化对基准的影响小;
误差放大电路: 将采集的电压输入到比较器反向输入端,与正向输入端的基准电压(也就是期望输出的电压)进行比较,再将比较结果进行放大;
晶体管调整电路: 把这个放大后的信号输出到晶体管的控制极(也就是PMOS管的栅极或者PNP型三极管的基极),从而这个放大后的信号(电流)就可以控制晶体管的导通电压了,这就是一个负反馈调节回路。
3.2 负反馈流程
以PMOS LDO为例:
反馈回路
PMOS驱动的反馈
LDO工作原理就一句话:通过运放调节P-MOS的输出。
4.主要参数
输入输出压差(Dropout Voltage):
对于LDO来说,输入电压是高于输出电压的,但是两者压差一般都是很小,LDO的输入电流几乎等于输出电流,因此压差越大,效率越低(本身吃掉了很多能量电流×晶体管压降),压差越小,LDO电压转换效率越高以及能量损耗越小。
电源抑制比(PSRR):
LDO的 PSRR数据是用来量化LDO对不同频率的输入电源纹波的抑制能力的,它反映了LDO不受噪声和电压波动、保持输出电压稳定的能力。在特定频段内,PSRR越大越好。
100K到1MHz内的PSRR非常重要,这个是DCDC的噪声频率范围,LDO经常作为DCDC的下一级,要有能力滤除来自DCDC的大量噪声。
在ADC,DAC,Camera的AVDD供电上,我们要选择PSRR大于80dB(@100Hz)的LDO。LDO的环路控制往往是确定电源抑制性能的主要因素,同时大容量,低ESR的电容对电源一直也非常有用,建议选择陶瓷电容。
PSRR与频率有关,LDO的规格书一般会给出几个频点的PSRR值。
噪声(Noise):
不同于PSRR,噪声是指LDO自身产生的噪声信号,低噪声的LDO稳压芯片可以很好的降低LDO产生的额外噪声,输出的电压更纯净,噪声一般计算出的值是有效值(rms),也可以用peak to peak来分析。
如下是某LDO的噪声水平,通常在uV级别
LDO输出噪声的另一种表示方式是噪声频谱密度。只有高精度,低噪声电路上才需要关注这个参数。
静态电流(Iq):
静态电流(Quiescent Current)是外部负载电流为0时,LDO内部电路供电所需的电流。内部电路包括带隙基准电压源、误差放大器、输出分压器以及过流和过温检测电路。这个电流经过从LDO的GND流出。
在一些电池供电低功耗场景下,要考虑LDO本身自身消耗的静态电流。休眠阶段的电源消耗成为影响电池寿命的关键因素。要想最大限度地降低睡眠期间的功率消耗,选择具有极低静态电流的器件就是必须的。一般LDO芯片的静态电流的大小与芯片的其他性能成反关系,如低噪声,高电源电压抑制比,动态性能好的LDO静态电流都偏大一些。低IQ的LDO做的好的话<100nA。
5.线性电源芯片(LDO)和DCDC区别
LDO外围器件少,电路简单,成本低,通常只需要一两个旁路电容;
DC-DC外围器件多,电路复杂,成本高;
LDO负载响应快,输出纹波小;
DC-DC负载响应比LDO慢,输出纹波大;
LDO效率低,输入输出压差不能太大;
DC-DC效率高,输入电压范围宽泛;
LDO只能降压;
DC-DC支持降压和升压;
LDO和DC-DC的静态电流都小,根据具体的芯片来看;
LDO输出电流有限,最高可能就几A,且达到最高输出和输入输出电压都有关系;
DC-DC输出电流高,功率大;
LDO噪声小;
DC-DC开关噪声大,为了提高开关DC-DC的精度,很多应用会在DC-DC后端接LDO;
LDO分为可调和固定型;
DC-DC一般都是可调型,通过FB反馈电阻调节;
6.应用电路
6.1 ACDC电路
最常见的AC/DC电源,交流电源电压经变压器后,变换成所需要的电压,该电压经整流后变为直流电压。
在该电路中,低压差线性稳压器的作用是:在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压,抑制纹波电压,消除电源产生的交流噪声。
6.2 蓄电池电路
各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化,为了保证蓄电池组输出恒定电压,通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器。
低压差线性稳压器的功率较低,因此可以延长蓄电池的使用寿命,同时,由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近,因此在蓄电池接近放电完毕时,仍可保证输出电压稳定。
6.3 开关性稳压电源电路
众所周知,开关性稳压电源的效率很高,但输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。
在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器,就可以实现有源滤波,而且也可大大提高输出电压的稳压精度,同时电源系统的效率也不会明显降低。
6.4 共电池电路
在某些应用中,比如无线电通信设备通常只有一足电池供电,但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压,因此必须由多只稳压器供电。
为了节省共电池的电量,通常设备不工作时,都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态,为此,要求线性稳压器具有使能控制端。
有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统。
6.5 附加功能
通/断控制功能,允许使用机械开关、门电路或单片机来关断LDO的输出,使之进入低功耗的待机模式(亦称备用模式)。
输入电压反极性保护功能用来防止当输入电压极性接反时损坏LDO。
故障标记输出功能,当输出电压(或输入电压)低于规定阈值电压时,LDO能输出故障标记信号,微处理器在接收到此信号后,可及时完成数据存储等项工作。
瞬变电压保护功能,将LDO用于汽车电子设备时,需要对负载的瞬态变化(如突然卸载)进行保护,一旦输出端出现瞬变电压,立即将输出关断,等瞬变电压过去之后,又迅速恢复正常工作。
跟踪能力某些多路输出式LDO需要具有跟踪能力,其中一路或几路辅助输出电压能自动跟踪主输出电压的变化,并及时调整自己的输出电压值,以减小各路输出之间的相对变化量。
排序,所谓排序,就是在多个稳压电源构成的电源系统中,使每个稳压电源的输出都能按照规定的顺序接通或关断。
7.选取原则
电压类型:确定电路需要的电压类型是正电压还是负电压。正电压的器件较多,负电压的器件可以考虑LM2991(较多大公司使用)。
输入电压:稳压器输入端可以输入的电压范围(注意输入电压需要降额80%考虑)。
输出电压:稳压器输出端的输出电压值,不要选有ADJ功能的,这样节省器件,降低干扰。
输出电流:稳压器输出端的最大输出电流值(至少留25%裕量)。
压差:确定压差是否合适,一定要查看规格书上,对应最大电流的最小压差要求。
封装:单板PCB、结构尺寸和生产线对封装形式的要求。
线性调整率:稳压器输入变化对输出的影响,即在负载一定的情况下,输出电压变化量和输入电压变化量之比。线性调整率越小越好。
负载调整率:是指在给定负载变化下的输出电压的变化,这里的负载变化通常是从无负载到满负载。负载调整率越小越好。
电源纹波抑制比(PSRR):表示稳压器抑制由输入电压造成的输出电压波动的能力。线性调整率只有在直流电时才需要考虑,但是电源抑制比必须在宽频率范围上考虑。PSRR是一个用来描述输出信号受电源影响的参量,PSRR越大,输出信号受到电源的影响越小。如果用在低噪声场合,一定要选择高PSRR(80dB以上)的LDO,建议在80dB以上。
瞬态响应:表示负载电流突变时引起的输出电压的最大变化,它是输出电容及其等效串联电阻和旁路电容的函数。其中输出电容的作用是提高负载瞬态响应的能力,也起到了高频旁路的作用。
静态电流(Iq):又叫接地电流,是通路元件的偏流和驱动电流的组合,通常保持尽可能低的水平。静态电流越大,稳压器的效率越低。如果是电池供电,对续航要求很高,一定要选择Iq低的LDO。
最大耗散功率:为了确保LDO节点温度不至于过高而损坏,LDO都必须计算最大耗散功率。LDO的实际耗散功耗要小于最大耗散功率,否则可能损坏LDO芯片。
输出电容以及ESR值:如果器件对输出电容以及ESR有特殊要求,考虑公司现有器件是否满足要求(几乎每一家的LDO,CIN和COUT都要求1uF以上,ESR越低越好,最好小于100mΩ,但也不能太小,低于几个mΩ也可能使LDO工作不稳定)。
供应商A :亚科美微
1、产品能力
(1)选型手册亚科美微电子产品型录.pdf
(2)主推型号1: ACM29302WU_WU
对应的产品详情介绍
产品概述
MIC29302WU是一款由亚科美微电子(深圳)有限公司设计生产的低压差、大电流且精度高的电压调节器电路。该芯片以超βPNP工艺制作的PNP管作为调节元件,具有优异的性能表现。
主要特性
低压差特性:在满载条件(3A)下,输入输出压差仅为370mV(典型值),这使得它在需要低压差应用的场景中表现出色。
大电流输出:能够稳定输出高达3A的电流,满足各种大电流需求的应用场景。
高精度:通过精确的电压调节和稳定的输出特性,确保在各种负载条件下都能保持输出电压的稳定。
宽输入电压范围:支持最大输入电压为26V,提供了更广泛的应用灵活性。
温度范围宽:能够在-40°C至+125°C的温度范围内正常工作,满足恶劣环境下的使用需求。
应用领域
MIC29302WU广泛应用于需要大电流、低压差和稳定电压输出的电源系统中。特别是在电池供电的物联网设备、便携式电子设备、汽车电子、工业自动化等领域中,其高性能和可靠性得到了广泛的认可和应用。
封装与尺寸
该芯片采用TO-263-5封装,具有良好的散热性能和较小的体积,便于在电路板上布局和安装。
硬件参考设计
研发设计注意使用事项
ACM29302地端电流大约为 IOUT 的 0.01A,不适用于电池供电设备长期在低功耗运行的场景。
2、支撑
(1)技术产品
ACM29302WU_WT.pdf
供应商B:国芯
1、产品能力
(1)选型手册
(2)主推型号:AMS111733
对应的产品详情介绍
产品概述
AMS1117-3.3是由国内芯片制造商(如赫尔半导体、友台半导体、深圳汉芯等)生产的低压差线性稳压器,具有固定的输出电压3.3V。它广泛应用于各种需要稳定电压供电的电子设备中,特别是在对电源噪声敏感的电路中表现尤为出色。
主要特性
输出电压稳定:AMS1117-3.3能够提供稳定的3.3V输出电压,满足大多数电子设备对稳定电源的严格要求。
低压差特性:该芯片具有较低的输入输出电压差(Dropout Voltage),这意味着在转换电压时耗散的能量较少,提高了电源效率。
高精度:AMS1117-3.3的电压精度高,能够确保输出电压的精确度,满足高精度应用的需求。
低噪声:该芯片具有较低的输出电压噪声,这对于对电源噪声敏感的电路来说至关重要。
负载调整率和线性调整率优异:即使在负载电流和输入电压发生变化时,也能稳定地输出设定的电压值。
保护机制:具备过热保护和限流保护功能,有效防止芯片在异常情况下受损,提高了系统的可靠性和稳定性。
封装与尺寸
AMS1117-3.3芯片通常采用不同的封装形式,如TO-252等。封装尺寸紧凑,便于在电路板上布局和安装。
应用领域
AMS1117-3.3芯片的应用领域十分广泛,包括但不限于:
消费类电子产品:如智能手机、平板电脑、蓝牙音箱等,为各种芯片和模块提供稳定的电源。
通信设备:保障信号处理模块的稳定供电。
智能家居系统:如智能门锁、智能摄像头、智能家电等,都需要稳定的电源来保证其正常工作和长期可靠运行。
选择建议
在选择AMS1117-3.3芯片时,建议考虑以下因素:
输出电压:确认所需输出电压为3.3V。
负载电流:根据应用需求选择合适的负载电流,确保芯片能够提供足够的电流支持。
封装形式:根据电路板布局和安装需求选择合适的封装形式。
温度和空间限制:考虑应用环境的温度和空间限制,选择适合的芯片型号。
硬件参考设计
研发设计注意使用事项
散热问题:
AMS1117最大能提供1A以上电流,因此当电流工作在大电流,高输入输出电压情况下时,芯片自身所消耗功耗将达到几瓦的数量级,此时必须考虑芯片的热耗散能力。
线性电源输入输出的压差大,要注意是否会导致芯片过热,加速芯片老化,埋下质量隐患。设计人员一定要严谨,做到精益求精。比如给stm32的系统供电,需要先用LM2596从12V降到5V,再用1117降到3.3V,没特别要求的供电,这种方案可适用大多数的供电场合。
AMS1117的SOT-223贴片式封装形式热阻约为20°C/W(从芯片的内部到封装基板),从封装基板和环境温度之间的热阻取决于应用AMS1117的PCB板上的铜箔面积,当铜箔面积等于5cm*5cm(正反两面)时,该热阻约为30°C/W。因此总的热阻为20°C/W。若想进一步降低热阻则需适当增加铜箔面积
核心料(哪些项目在用)
奇迹物联叉车监控项目, AM21EV4 demo板
2、支撑
(1)技术产品
技术资料
C2992570_AMS1117-3.3_2022-07-29.pdf
供应商C:贝岭
1、产品能力
(1)选型手册
(2)主推型号1:BL9157
产品详情介绍
贝岭BL9157是一款由上海贝岭(BELLING)生产的低功耗CMOS型低压差线性稳压器芯片IC。以下是对该产品的详细介绍:
基本信息
品牌:BELLING/上海贝岭
型号:BL9157
封装形式:如SOT89-3(A)等,具体封装形式可能因不同批次或产品而异。
批次:不同批次可能有所不同,如24+、1年内等。
技术参数
最大输入电压:30V(根据某些资料)
输出电压:可调或固定,范围通常在1.8V至5.0V之间。
压差:650mV@100mA (VOUT=5V)(根据某些资料)
静态电流(地电流):低至2μA(根据某些资料)
输出电流:可达150mA(根据某些资料)
电源纹波抑制比(PSRR):-60dB@217Hz(根据某些资料)
工作温度:通常范围在-40°C至85°C或-10°C至130°C之间,具体取决于不同批次或产品规格。
RoHS:是,符合环保要求。
物理尺寸
长度、宽度和高度可能因封装形式而异,但通常较小,便于在电路板上安装。
应用领域
贝岭BL9157低功耗CMOS型低压差线性稳压器芯片IC广泛应用于需要稳定电压供应的电子设备中,如便携式设备、消费电子、工业自动化、汽车电子等领域。其低功耗特性使得它在电池供电的设备中尤为受欢迎。
注意事项
在使用贝岭BL9157芯片时,请务必参考其数据手册和规格书,以确保正确连接和使用。
注意芯片的工作温度范围,避免在高温或低温环境下长时间工作。
在设计和制造过程中,应确保芯片与其他元器件之间的电气连接正确无误。
总之,贝岭BL9157是一款性能优良、低功耗的CMOS型低压差线性稳压器芯片IC,适用于多种电子设备中。如需更多信息,请查阅相关数据手册或咨询专业人士。
硬件参考设计
(3)主推型号2:BL9133
产品详情介绍
基本信息
品牌:BL/上海贝岭
型号:BL9133
封装:NA(具体封装形式可能因不同批次或产品而异)
批次:1年内(表示该产品是近一年内生产的)
技术参数
产品种类:电子元器件
RoHS:是,符合环保要求
最小工作温度:-40°C(表明该产品在低温环境下仍能正常工作)
最大工作温度:100°C(表明该产品在高温环境下仍能保持稳定性能)
最小电源电压:4.5V(产品正常工作时所需的最小电压)
最大电源电压:8.5V(产品能承受的最大电压)
物理尺寸:长度8.2mm,宽度9.4mm,高度2.5mm(这些尺寸有助于了解产品在电路板上的占用空间)
应用领域
贝岭BL9133作为电子元器件,可能广泛应用于各种需要稳定电压供应的电子设备中,如消费电子、工业自动化、汽车电子等领域。其具体的应用场景可能因产品特性和客户需求而异。
注意事项
在购买和使用贝岭BL9133时,请务必参考其数据手册和规格书,以确保正确连接和使用。
注意产品的工作温度范围,避免在高温或低温环境下长时间工作。
在设计和制造过程中,应确保产品与其他元器件之间的电气连接正确无误。
总之,贝岭BL9133是一款性能稳定、符合环保要求的电子元器件,适用于多种电子设备中。如需更多信息,请查阅相关数据手册或咨询专业人士。
硬件参考设计
(4)主推型号3:BL9136
对应的产品详情介绍
硬件参考设计
2、支撑
(1)技术产品
技术资料
BL9157_V1.1_en.pdf
Belling-BL91XX.pdf
供应商D:德仪(TI)
1、产品能力
(1)选型手册
(2)主推型号1:TLV70033DDCR
对应的产品详情介绍
硬件参考设计
奇迹物联叉车监控项目
2、支撑
(1)技术产品
技术资料
tlv700.pdf
供应商E:HOLTEK(台湾泰合)
1、产品能力
(1)选型手册
(2)主推型号1:HT7530-3
产品详情介绍
硬件参考设计
2、支撑
(1)技术产品
技术资料
VIN=30VVOUT=3V100MA_2018-12-07 (1).PDF
技术对接
技术能力
供应商F:RICHTEK(台湾立锜)
1、产品能力
(1)选型手册
RICHTEK RT_PRODUCT_LDO_SINGLE(2023-02-15).xls
(2)主推型号1:RT9013
对应的产品详情介绍
硬件参考设计
2、支撑
(1)技术产品
技术资料
C47773_正VIN=5.5VVOUT=3.3V500MA50DB@(10KHZ)_2015-05-04.PDF
供应商G:ON/安森美
1、产品能力
(1)选型手册
(2)主推型号1:MC7805
产品详情介绍
硬件参考设计
研发设计注意使用事项
78xx系列IC正常工作时,要求输入电压至少要比输出电压高2V,这样IC内部的调整管才能正常工作。若无法保证输入电压高于输出电压2V以上,78xx无法输出稳定的电压,其输出电压会随输入电压变化而变化。本电路中的7805若想输出5V的稳定电压,其输入电压Vin至少要在7V以上。
78xx稳压IC在正常工作时,不允许输出端串入高于Vin的电压(在检修电路时,有时会发生这种情况),否则其内部调整管的be结可能会被击穿而永久性损坏,故我们经常见到一些电路中,在78xx的输出端与输入端之间接一个1N4007之类的二极管(即图1中的VD2),该管是起保护作用的。有时为了防止输入电压极性接反而损坏78xx,还可以在其输入端串联一个二极管作为保护(图1中的VD1)。
在大电流下,78xx的压差(即输入电压与输出电压之差)不能过大,否则78xx会严重发热,由于此时其内部过热保护电路将起作用,从而使输出电压不稳定。
7805的最高输入电压为35V,输出电流最大为1.5A。该IC的散热片是与其GND引脚相通的(对于79xx或LM317,其散热片是与其输入引脚或输出引脚相通的)。
核心料(哪些项目在用)
2、支撑
(1)技术产品
技术资料
C83632_正VIN=35VVOUT=5V1A68DB@(120HZ)MC7805BDTG.PDF
技术对接
技术能力
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