1. Miksi tämä säädin on kaikkialla

AMS1117-3.3 on oletusvastaus kysymykseen "tarvitsen 3.3 V 5 V:sta" pienellä piirilevyllä. Se on kolmiliittiminen low-dropout-säädin SOT-223-kotelossa, mitoitettu noin 1 A:lle, kiinteällä 3.3 V:n lähdöllä ja ilman muita ulkoisia komponentteja kuin kaksi kondensaattoria.

Tämä yksinkertaisuus on syy siihen, miksi se esiintyy reitittimissä, kehitysalustoissa, antureissa, sovittimissa ja teollisuusohjaimissa. Samasta syystä vaihtoehtoisia lähteitä on niin paljon: pinnijärjestys on yksinkertainen, sovelluskytkentä on julkaistu ja markkinat ovat valtavat.

Kompastuskivi on siinä, että komponenttia käytetään usein sen termisen mukavuusalueen ulkopuolella. Suunnittelija näkee datalehdessä "1 A" ja 12 V:n tulon ja olettaa, että se toimii. Se ei toimi, ja vikaantuminen on hidasta lämpöperäistä vikaantumista eikä välitöntä vikaa.

2. Mikä LDO:n vaihdossa todella ratkaisee

Useimmat korvausvirheet johtuvat kolmannelta ja neljänneltä riviltä, eivät ensimmäiseltä. Sähköisesti yhteensopiva komponentti voi värähdellä väärän kondensaattorin kanssa tai käydä 20 °C kuumempana, koska sen lämpöreitti on erilainen.

3. Nastayhteensopivat tuoteperheet

Kaikki nämä käyttävät samaa SOT-223-footprinttiä: nasta 1 on maa (tai säätönasta), nasta 2 on lähtö, nasta 3 on tulo, ja liippa on kytketty lähtöön. Siksi ne ovat mekaanisesti keskenään vaihdettavissa.

Yksi tärkeä poikkeus: osat kuten SPX3819 ovat myös 3,3 V:n LDO-regulaattoreita, mutta ne ovat viisinastaisessa SOT-23-kotelossa, jossa on erilainen nastajärjestys. Ne eivät käy korvaajiksi SOT-223-levylle, vaikka ne esiintyvät samassa kategoriassa.

Lämpömatematiikka, joka ratkaisee kaiken

Lineaariregulaattori hävittää jännite-eron kerrottuna virralla: (Vin − Vout) × I. Tämä teho on poistuttava kotelon kautta, ja SOT-223 on pieni.

Sovelletaan nyt tyypillistä SOT-223:n lämpöresistanssia. Kun liitoksesta ympäristöön -lämpöresistanssi on noin 80 °C/W kohtuullisella kuparialueella, 1.7 W:n häviöteho nostaa liitoksen lämpötilaa noin 136 °C ympäristön yläpuolelle. 40 °C:n ympäristössä se on 176 °C — selvästi enimmäisarvon yläpuolella.

Jo 0.5 W lämpenee tuntuvasti. Siksi "1 A" -luokitus on käytännössä harhaanjohtava: se olettaa suuren kuparialueen ja pienen jännitehäviön. Siirtymässä 12 V:sta 3.3 V:iin käytännön jatkuva virta on parhaimmillaankin muutama sata milliampeeria ja usein vähemmän kotelon sisällä.

Dropout on lämpötarkastelun toinen puoli. Kun tulo laskee kohti lähtöjännitettä, säädin poistuu säädöstä ja lähtö seuraa tuloa miinus dropout-jännite. 5 V:n kiskolla se on harvoin ongelma; akkukiskolla se on koko suunnittelu.

3.7 V:n litiumkennolle 3.3 V:n LDO 300 mA:lla tarvitsee alle 0.4 V:n dropout-jännitteen, ja sen dropoutin on oltava riittävä lähellä purkauksen loppua. Useimmat 1 A:n LDO:t ilmoittavat dropout-jännitteen täydellä nimellisvirralla, jolloin se on suurin. Tarkista käyrä todellisella virrallasi, älä otsikkolukua.

Esimerkkilaskelma kuparialueella

Otetaan 5 V:n syötöstä 3.3 V:n kisko 0.5 A:lla: häviöteho on 0.85 W. Kun lämpöresistanssi on 80 °C/W, liitoksen lämpötila nousee 68 °C ympäristön yläpuolelle — hyväksyttävää 25 °C:n ympäristössä, rajatapaus 50 °C:ssa kotelon sisällä.

Kuparin lisääminen muuttaa lukua nopeasti. Kieleke, joka on kytketty 25 mm × 25 mm:n kuparialueeseen molemmilla kerroksilla ja jossa on muutama lämpövia, voi tuoda tehollisen lämpöresistanssin lähemmäs 50 °C/W. Sama 0.85 W nostaa tällöin liitoksen lämpötilaa noin 43 °C, mikä on mukavaa.

Opetus on, että PCB on osa säädintä. Kaksi samaa komponenttia käyttävää piirilevyä voivat erota 30 °C pelkän kuparipinta-alan takia, ja korvaus, joka jättää asettelun huomiotta, on vain puolikas vertailu.

24 V:n teollisuuskisko tekee asian selväksi. Jo 100 mA 24 V:sta 3,3 V:iin tuottaa yli 2 W häviötehoa, mitä SOT-223 ei pysty haihduttamaan. Jokainen tällainen suunnittelu tarvitsee ensin kytkentävaiheen riippumatta siitä, mitä LDO:ta käytetään. LDO:sta tulee tällöin kohinan jälkisäädin, ei päämuunnin, ja sen häviöteho pienenee suuruusluokalla.

5. Milloin lineaariregulaattori on väärä vastaus

Jos tulo on yli noin kaksi kertaa lähtöä suurempi tai kuorma on yli muutaman sadan milliampeerin, kytkentäregulaattori on oikea valinta. Se ei ole korvike — se on erilainen topologia, jossa on kela, erilainen takaisinkytkentäverkko ja erilainen EMI-profiili — mutta se on ainoa suunnittelu, joka kestää lämpölaskennan.

Yleinen arkkitehtuuri on kaksivaiheinen virtalähde: buck-muunnin 12 V:sta 5 V:iin ja sen jälkeen LDO 5 V:sta 3,3 V:iin hiljaista analogiakiskoa varten. Tämä pitää LDO:n sen lämpömukavuusalueella ja säilyttää alhaisen kohinan siellä, missä sillä on merkitystä.

Jos piirilevyltä löytyy jo 12 V:n kisko ja kuuma 3,3 V:n LDO, halvin korjaus on usein pieni buck-moduuli ja sen perään olemassa oleva LDO — ei "paremman" LDO:n etsiminen.

Kiinteä vai säädettävä

Kiinteä 3.3 V -versio on yksinkertaisin valinta: kaksi kondensaattoria, ei jakajaa, ei toleranssiketjua. Säädettävä versio korvaa maadoitusnastan takaisinkytkentäsolmulla ja tarvitsee kaksi vastusta.

Kun piirilevy kopioidaan useisiin variantteihin, säädettävä osa voittaa usein kokonaiskustannuksissa, koska yksi kela kattaa 1.2 V, 2.5 V ja 3.3 V -kokoonpanot. Haittapuolena on ylimääräinen reititettävä solmu ja jakaja, joka on laskettava uudelleen — eikä referenssijännite ole sama eri perheiden välillä.

Hienovarainen ansa: joissakin säädettävissä osissa referenssi on 1.25 V, toisissa se on eri. Referenssisuunnittelusta kopioitu jakaja voi aiheuttaa 5–10 %:n virheen, jos referenssijännitettä ei tarkisteta.

6. Missä nastayhteensopivat osat eroavat

Pudotusjännite.Minimitulojännite täydellä kuormalla vaihtelee perheiden välillä, ja se nousee virran myötä. Osa, jonka pudotusjännite on 1.3 V, ei pysty säätämään 3.3 V:ta 4.2 V:n akusta purkauksen loppuvaiheessa.

Lepovirta.Jotkin LDO-piirit ottavat milliampeereja kuormittamattomana; toiset ottavat mikroampeereja. Akkutuotteessa, joka on suurimman osan ajasta lepotilassa, tämä ero hallitsee energiabudjettia.

Kondensaattorivaatimukset.Vanhemmat LDO-ratkaisut vaativat vähimmäis-ESR-arvon ja voivat värähdellä nykyaikaisten keraamisten kondensaattorien kanssa. Uudemmat komponentit ovat stabiileja keraamisten kondensaattorien kanssa. Tarkista stabiilisuuskäyrä, ei pelkästään kapasitanssiarvoa.

Lämpöresistanssi.Samassa kotelossa voi olla erilainen sirun kiinnitys ja johtokehysrakenne. Kahden saman jalanjäljen omaavan komponentin lämpötila voi erota 10–20 °C samalla häviöteholla.

Kohina, PSRR ja analogiakiskot

Digitaalikiskoilla kohinalla ei ole merkitystä. Analogia-, RF- ja anturikiskoilla ratkaisee spesifikaatio. LDO:n lähtökohina ja kyky vaimentaa tulon aaltoilua (PSRR) ratkaisevat, saako 12-bittinen ADC puhtaan referenssin.

PSRR laskee taajuuden myötä. Komponentti, joka vaimentaa 60 dB taajuudella 1 kHz, voi vaimentaa vain 20 dB taajuudella 100 kHz – juuri siellä, missä hakkurillinen esisäädin tuottaa aaltoilunsa. Jos kisko syöttää tarkkuusmittausta, tarkista PSRR-käyrä edeltävän muuntimen kytkentätaajuudella, ei vain tasavirralla.

Lähtökohina ilmoitetaan yleensä µV RMS -arvona tietyllä kaistanleveydellä. Vertaa kaistanleveyttä: lukua, joka on ilmoitettu välillä 10 Hz–100 kHz, ei voi verrata lukemaan, joka on ilmoitettu välillä 10 Hz–1 MHz.

Kondensaattorin valinta ja stabiilius

LDO:n stabiilius riippuu lähtökondensaattorin ESR-arvosta ja kapasitanssista. Vanhemmat mallit vaativat vähimmäis-ESR:n – tyypillisesti tantaali- tai elektrolyyttikondensaattorin – ja voivat värähdellä puhtaan keraamisen kondensaattorin kanssa. Uudemmat osat on suunniteltu keraameille, ja ne voivat vaatia sen sijaan vähimmäiskapasitanssin.

Kaksi käytännön sääntöä. Ensinnäkin, lue datalehdestä vakauskäyrä, älä vain suositeltua kondensaattoriarvoa. Toiseksi, pidä tulokondensaattori lähellä komponenttia; pitkä tulojohdin lisää induktanssia ja voi tehdä säätösilmukasta epävakaan, vaikka lähtöpuoli olisi kunnossa.

Jos korvaus tuottaa jännitekiskon, joka näyttää yleismittarilla hyvältä mutta värähtelee matalalla taajuudella, kondensaattori on ensimmäinen epäilty. Tarkista oskilloskoopilla lähdöstä, AC-kytkettynä, muutaman millisekunnin ajalta.

7. Käytännön testisuunnitelma

Rinnankäyttö ja virranjako

Lineaariset regulaattorit eivät jaa virtaa hyvin. Kaksi rinnankytkettyä AMS1117:tä ei jaa 1.5 A:n kuormaa tasaisesti; se, jonka lähtöjännite on hieman korkeampi, ottaa suurimman osan virrasta, kunnes lämpöajautuma muuttaa tasapainoa.

Jos tarvitaan enemmän virtaa, käytä siihen mitoitettua komponenttia tai hakkurimuunninta. Pienen ballastivastuksen lisääminen sarjaan kunkin lähdön kanssa voi pakottaa virranjaon, mutta se maksaa jännitevaraa ja stabiiliusmarginaalia — harvoin sen arvoista 3.3 V:n kiskolle.

Käänteisvirta ja suojaus

Jos lähtö voi nousta tuloa suuremmaksi — esimerkiksi kun alavirran kisko pysyy jännitteisenä, kun tulo poistetaan — virta voi kulkea taaksepäin regulaattorin läpi. Jotkin LDO-regulaattorit sietävät tämän; toiset eivät. Tarkista käänteisvirran määrittely, jos piirilevyssä on useita syöttöjä.

Tulo- ja lähdön välissä oleva Schottky-diodi suojaa väärältä napaisuudelta, mutta lisää vuotovirtaa ja pienen jännitehäviön. Akkutuotteissa tämä vuoto voi vaikuttaa enemmän kuin suojaus on sen arvoista.

Vaihtoehtoisten lähteiden väliset laadulliset erot

Tässä hintaluokassa vaihtoehtoiset lähteet kilpailevat prosessin hallinnalla yhtä paljon kuin suunnittelulla. Eniten vaihtelevat parametrit ovat lähtöjännitteen toleranssi lämpötilassa, dropout täydellä kuormalla ja lepovirta.

Ei-kriittisellä digitaalisella kiskolla nuo erot harvoin vaikuttavat. Kiskolla, joka syöttää sensoria tai radiota, ne voivat vaikuttaa. Pyydä lämpötilakäyrät 25 °C:n tyypillisten arvojen sijaan ja vertaa pahinta tapausta.

8. Hinta ja saatavuus

Nämä regulaattorit maksavat senttejä, joten hintaerot ovat absoluuttisesti pieniä. Olennaiset muuttujat ovat saatavuus, pakkaus ja jäljitettävyys.

Vaihtoehtoiset lähteet ovat yleisiä ja yleensä hyväksyttäviä ei-kriittisille kiskoille. Analogisille tai RF-kiskoille pysy komponentissa, jonka kohina ja PSRR on karakterisoitu, koska halvempi regulaattori voi heikentää mittausketjua epäonnistumatta missään testissä.

Tällä tasolla kelamäärät ja päivämääräkoodit merkitsevät enemmän kuin yksikköhinta. Halvemman osan täysi kela voi maksaa enemmän kuin alkuperäisen osittainen kela, ja vanha varasto on tarkistettava toiminnallisesti ennen käyttöä.

Esiregulaattorit ja moduulit

Käytännöllisin korjaus kuumaan LDO:hon on pienentää sen yli olevaa jännitettä. Pieni buck-muunnin 12 V:sta 5 V:iin ja sen perässä olemassa oleva 3.3 V LDO vähentää häviötehoa yli puolella ja pitää syöttökiskon häiriöttömänä.

Valmiit buck-moduulit sopivat prototyyppeihin mutta eivät tuotantoon: kela, kondensaattorit ja lämpösuunnittelu ovat tuntemattomia, ja moduulista tulee yhden toimittajan komponentti, jota kukaan ei ole kvalifioinut. Suunnittele esiregulaattori piirilevylle, kun arkkitehtuuri on vakiintunut.

Milloin alkuperäinen kannattaa säilyttää

Jos syöttökisko on häiriötön, lämpövara on pieni tai tuote on sertifioitu, halvin osa ei ole uudelleenkvalifioinnin arvoinen. Säilytä alkuperäinen näissä tapauksissa ja käytä toista lähdettä vain vakuutuksena, ei tuotantomuutoksena.

9. UKK

Onko LM1117 suora korvaaja AMS1117-3.3:lle?

Niillä on sama SOT-223-koteloinnin jalanjälki ja nastajärjestys. Dropout-jännite, virrankesto ja kondensaattorivaatimukset eroavat, joten tarkista kuorma ja lämpösuunnittelu.

Voinko ajaa 1 A 12 V:sta 3.3 V:iin tällä koteloinnilla?

Ei. Se on noin 8.7 W häviötehoa, selvästi enemmän kuin SOT-223 pystyy käsittelemään. Tarvitaan hakkuriregulaattori.

Miksi LDO oskilloituu keraamisten kondensaattorien kanssa?

Jotkin vanhemmat LDO-ratkaisut vaativat vähimmäis-ESR-arvon, jota keraamiset kondensaattorit eivät tarjoa. Valitse osa, joka on määritelty stabiiliksi keraamisten lähtökondensaattorien kanssa.

Tarkoittaako pienempi dropout-arvo aina parempaa?

Yleensä kyllä, mutta se voi tuoda mukanaan suuremman lepovirran tai erilaiset stabiilisuusvaatimukset. Sovita parametri käyttötarkoitukseen.

Voinko käyttää SOT-23-5 LDO:ta SOT-223-piirilevyllä?

Ei. Kotelo ja nastajärjestys eroavat. Se vaatii adapterin tai uuden layoutin.

Mikä on käytännön virtaraja?

Se riippuu jännitehäviöstä ja kuparialasta. 5 V:n ja 3.3 V:n välisellä kiskolla tyypillinen virta on muutama sata milliampeeria ennen kuin lämpörajat tulevat määrääviksi.

10. Lähteet

• TI LM1117 -tuotesivu:ti.com
• Diodes AZ1117 -dokumentaatio:diodes.com
• MaxLinear SPX3819 -dokumentaatio:maxlinear.com