1. Mengapa regulator ini ada di mana-mana

AMS1117-3.3 adalah jawaban default untuk "Saya perlu 3.3 V dari 5 V" pada papan kecil. Ini adalah regulator low-dropout tiga terminal dalam paket SOT-223, berkapasitas sekitar 1 A, dengan output 3.3 V tetap dan tanpa komponen eksternal selain dua kapasitor.

Kesederhanaan itulah sebabnya komponen ini muncul di router, papan pengembangan, sensor, adaptor, dan pengendali industri. Itu juga sebabnya begitu banyak sumber kedua yang ada: pinout-nya sederhana, rangkaian aplikasinya dipublikasikan, dan pasarnya sangat besar.

Masalahnya adalah komponen ini sering digunakan di luar zona kenyamanan termalnya. Seorang desainer melihat "1 A" pada datasheet dan input 12 V, lalu menganggapnya akan bekerja. Hal itu tidak akan berhasil, dan kegagalannya adalah kegagalan termal yang lambat, bukan kesalahan langsung.

2. Apa yang sebenarnya penting dalam penggantian LDO

Sebagian besar kegagalan substitusi berasal dari baris ketiga dan keempat, bukan yang pertama. Komponen yang kompatibel secara elektrik dapat berosilasi dengan kapasitor yang salah, atau beroperasi 20 °C lebih panas karena jalur termalnya berbeda.

3. Famili yang kompatibel pin

Semua ini menggunakan footprint SOT-223 yang sama: pin 1 adalah ground (atau pin adjust), pin 2 adalah output, pin 3 adalah input, dan tab terhubung ke output. Itulah sebabnya semuanya dapat dipertukarkan secara mekanis.

Satu pengecualian penting: komponen seperti SPX3819 juga merupakan LDO 3,3 V, tetapi berada dalam paket SOT-23 lima pin dengan pinout yang berbeda. Komponen tersebut bukan pengganti untuk board SOT-223, meskipun muncul dalam kategori yang sama.

4. Perhitungan termal yang menentukan segalanya

Regulator linear mendisipasikan selisih tegangan dikalikan arus: (Vin − Vout) × I. Daya tersebut harus keluar melalui paket, dan SOT-223 berukuran kecil.

Sekarang terapkan resistansi termal SOT-223 yang tipikal. Dengan sekitar 80 °C/W dari junction ke ambient pada area tembaga yang moderat, disipasi 1.7 W menaikkan junction sekitar 136 °C di atas ambient. Pada ambient 40 °C, itu menjadi 176 °C — jauh melampaui rating maksimum.

Bahkan 0.5 W pun terasa hangat. Inilah sebabnya rating "1 A" menyesatkan dalam praktik: rating itu mengasumsikan area tembaga yang luas dan penurunan tegangan yang kecil. Untuk 12 V ke 3.3 V, arus kontinu praktis paling baik hanya beberapa ratus miliampere, dan sering kali lebih kecil di dalam enclosure.

Dropout adalah separuh lainnya dari cerita termal. Saat input turun mendekati tegangan output, regulator keluar dari regulasi dan output mengikuti input dikurangi dropout. Pada rail 5 V hal itu jarang menjadi masalah; pada rail baterai, itulah seluruh desain.

Untuk sel lithium 3.7 V, LDO 3.3 V pada 300 mA memerlukan dropout di bawah 0.4 V, dan dropout itu diperlukan mendekati akhir discharge. Sebagian besar LDO 1 A menetapkan dropout pada arus pengenal penuh, saat nilainya paling besar. Periksa kurva pada arus aktual Anda, bukan angka utama.

Contoh perhitungan dengan luas tembaga

Ambil rail 5 V ke 3.3 V pada 0.5 A: disipasi adalah 0.85 W. Dengan 80 °C/W, junction naik 68 °C di atas ambient — dapat diterima pada ambient 25 °C, marginal pada 50 °C di dalam enclosure.

Menambahkan tembaga mengubah angka itu dengan cepat. Tab yang terhubung ke pour 25 mm × 25 mm pada kedua lapisan, dengan beberapa via termal, dapat membawa resistansi efektif lebih dekat ke 50 °C/W. Disipasi 0.85 W yang sama kemudian menaikkan junction sekitar 43 °C, yang nyaman.

Pelajaran yang dapat diambil adalah bahwa PCB adalah bagian dari regulator. Dua board yang menggunakan komponen yang sama dapat berbeda 30 °C murni karena luas tembaga, dan substitusi yang mengabaikan layout hanyalah setengah perbandingan.

Rel industri 24 V membuat kasusnya jelas. Bahkan 100 mA dari 24 V ke 3,3 V membuang lebih dari 2 W, yang tidak dapat dibuang oleh SOT-223. Setiap desain seperti itu memerlukan tahap switching terlebih dahulu, terlepas dari LDO mana yang digunakan. LDO kemudian menjadi post-regulator untuk derau, bukan konverter utama, dan disipasinya turun satu orde besaran.

5. Ketika regulator linear adalah jawaban yang salah

Jika masukan lebih dari sekitar dua kali keluaran, atau beban di atas beberapa ratus miliampere, regulator switching adalah pilihan yang tepat. Ini bukan substitusi — ini adalah topologi berbeda dengan induktor, jaringan umpan balik yang berbeda, dan profil EMI yang berbeda — tetapi ini satu-satunya desain yang lolos dari perhitungan termal.

Arsitektur umum adalah catu daya dua tahap: konverter buck dari 12 V ke 5 V, lalu LDO dari 5 V ke 3,3 V untuk rel analog yang tenang. Itu menjaga LDO tetap dalam zona nyaman termalnya dan mempertahankan derau rendah di tempat yang penting.

Untuk papan yang sudah memiliki rel 12 V dan LDO 3,3 V yang berjalan panas, perbaikan termurah sering kali adalah modul buck kecil diikuti LDO yang ada, bukan mencari LDO yang "lebih baik".

Tetap versus dapat disesuaikan

Versi tetap 3.3 V adalah pilihan paling sederhana: dua kapasitor, tanpa pembagi, tanpa penumpukan toleransi. Versi yang dapat disesuaikan menggantikan pin ground dengan node umpan balik dan membutuhkan dua resistor.

Untuk papan yang akan disalin ke beberapa varian, komponen yang dapat disesuaikan sering menang pada total biaya karena satu gulungan mencakup rakitan 1.2 V, 2.5 V, dan 3.3 V. Konsekuensinya adalah node tambahan untuk dirutekan dan pembagi yang harus dihitung ulang — dan tegangan referensi tidak identik antar keluarga.

Jebakan halus: pada beberapa komponen yang dapat disesuaikan, referensinya 1.25 V, pada komponen lain berbeda. Pembagi yang disalin dari desain referensi dapat menghasilkan kesalahan 5–10% jika tegangan referensi tidak diperiksa.

6. Di mana komponen yang kompatibel pin berbeda

Dropout.Tegangan input minimum pada beban penuh berbeda antar keluarga, dan nilainya naik seiring arus. Komponen dengan dropout 1.3 V tidak dapat meregulasi 3.3 V dari baterai 4.2 V mendekati akhir pengosongan.

Arus quiescent.Beberapa LDO menarik arus miliampere tanpa beban; yang lain menarik mikroampere. Untuk produk baterai yang sebagian besar waktunya tidur, perbedaan itu mendominasi anggaran energi.

Persyaratan kapasitor.Desain LDO lama memerlukan ESR minimum dan dapat berosilasi dengan kapasitor keramik modern. Komponen yang lebih baru stabil dengan keramik. Periksa kurva stabilitas, bukan hanya nilai kapasitansi.

Resistansi termal.Paket yang sama dapat memiliki konstruksi die attach dan lead frame yang berbeda. Dua komponen dengan footprint identik dapat beroperasi terpaut 10–20 °C pada disipasi yang sama.

Derau, PSRR dan rel analog

Untuk rel digital, derau tidak relevan. Untuk rel analog, RF dan sensor, spesifikasinya yang penting. Derau keluaran LDO dan kemampuannya menolak riak masukan (PSRR) menentukan apakah ADC 12-bit melihat referensi yang bersih.

PSRR menurun seiring frekuensi. Komponen yang menolak 60 dB pada 1 kHz mungkin hanya menolak 20 dB pada 100 kHz, yang justru merupakan tempat pre-regulator switching menaruh riaknya. Jika rel memasok pengukuran presisi, periksa kurva PSRR pada frekuensi switching konverter hulu, bukan hanya pada DC.

Derau keluaran biasanya dispesifikasikan dalam µV RMS pada suatu lebar pita. Bandingkan lebar pitanya: angka yang dikutip pada 10 Hz–100 kHz tidak dapat dibandingkan dengan angka yang dikutip pada 10 Hz–1 MHz.

Pemilihan kapasitor dan stabilitas

Stabilitas LDO bergantung pada ESR dan kapasitansi kapasitor keluaran. Desain yang lebih lama memerlukan ESR minimum — biasanya tantalum atau elektrolitik — dan dapat berosilasi dengan kapasitor keramik murni. Komponen yang lebih baru dirancang untuk keramik dan mungkin memerlukan kapasitansi minimum sebagai gantinya.

Dua aturan praktis. Pertama, baca kurva stabilitas di datasheet, bukan hanya nilai kapasitor yang direkomendasikan. Kedua, letakkan kapasitor input dekat dengan perangkat; jalur input yang panjang menambah induktansi dan dapat membuat loop tidak stabil bahkan ketika sisi output sudah benar.

Jika penggantian menghasilkan rail yang tampak baik di multimeter tetapi memiliki osilasi frekuensi rendah, kapasitor adalah tersangka pertama. Periksa dengan osiloskop pada output, dengan kopling AC, selama beberapa milidetik.

7. Rencana pengujian praktis

Operasi paralel dan pembagian arus

Regulator linear tidak membagi arus dengan baik. Dua AMS1117 yang diparalel tidak akan membagi beban 1,5 A secara merata; unit dengan tegangan keluaran sedikit lebih tinggi akan mengambil sebagian besar arus hingga drift termal mengubah keseimbangannya.

Jika diperlukan arus lebih besar, gunakan komponen yang dirated untuk itu atau konverter switching. Menambahkan resistor ballast kecil secara seri dengan setiap keluaran dapat memaksa pembagian arus, tetapi itu mengurangi headroom tegangan dan margin stabilitas — jarang sepadan untuk rel 3,3 V.

Arus balik dan proteksi

Jika keluaran dapat didorong melebihi masukan — misalnya ketika rel hilir tetap aktif setelah masukan dilepas — arus dapat mengalir balik melalui regulator. Beberapa LDO mentoleransi ini; yang lain tidak. Periksa spesifikasi arus balik jika papan memiliki beberapa suplai.

Dioda Schottky yang dipasang melintasi masukan dan keluaran melindungi terhadap polaritas terbalik tetapi menambah kebocoran dan penurunan tegangan kecil. Untuk produk baterai, kebocoran itu bisa lebih penting daripada manfaat proteksinya.

Perbedaan kualitas antara sumber kedua

Pada titik harga ini, sumber kedua bersaing pada pengendalian proses sama seperti pada desain. Parameter yang paling bervariasi adalah toleransi tegangan keluaran pada suhu, dropout pada beban penuh, dan arus quiescent.

Untuk rel digital non-kritis, perbedaan tersebut jarang menjadi masalah. Untuk rel yang memasok sensor atau radio, perbedaan itu bisa berdampak. Mintalah kurva suhu alih-alih nilai tipikal 25 °C, dan bandingkan kondisi terburuk.

8. Biaya dan pasokan

Regulator ini berharga beberapa cents, sehingga perbedaan harga kecil dalam nilai absolut. Variabel yang penting adalah ketersediaan, kemasan, dan ketertelusuran.

Sumber kedua umum dan biasanya dapat diterima untuk rel non-kritis. Untuk rel analog atau RF, tetap gunakan komponen yang noise dan PSRR-nya sudah Anda karakterisasi, karena regulator yang lebih murah dapat menurunkan kinerja rantai pengukuran tanpa gagal dalam pengujian apa pun.

Kuantitas per reel dan kode tanggal lebih penting daripada harga satuan pada level ini. Satu reel penuh komponen yang lebih murah bisa lebih mahal daripada reel sebagian dari komponen asli, dan stok lama perlu pemeriksaan fungsional sebelum digunakan.

Pre-regulator dan modul

Perbaikan paling praktis untuk LDO yang panas adalah mengurangi tegangan yang melewatinya. Konverter buck kecil dari 12 V ke 5 V, diikuti LDO 3.3 V yang ada, memotong disipasi lebih dari setengah dan mempertahankan rail yang senyap.

Modul buck siap pakai dapat diterima untuk prototipe tetapi tidak untuk produksi: induktor, kapasitor, dan desain termal tidak diketahui, dan modul tersebut menjadi komponen sumber tunggal yang tidak dikualifikasi oleh siapa pun. Rancang pre-regulator ke papan setelah arsitektur ditetapkan.

Kapan harus mempertahankan yang asli

Jika rail senyap, margin termal kecil, atau produk tersertifikasi, komponen termurah tidak sepadan untuk kualifikasi ulang. Pertahankan yang asli dalam kasus tersebut dan gunakan sumber kedua hanya sebagai asuransi, bukan sebagai perubahan produksi.

9. FAQ

Apakah LM1117 merupakan pengganti langsung untuk AMS1117-3.3?

Keduanya memiliki footprint dan pinout SOT-223 yang sama. Dropout, rating arus, dan kebutuhan kapasitor berbeda, jadi verifikasi beban dan desain termal.

Bisakah saya menarik arus 1 A dari 12 V ke 3.3 V dengan paket ini?

Tidak. Disipasinya sekitar 8.7 W, jauh melampaui kemampuan SOT-223. Regulator switching diperlukan.

Mengapa LDO saya berosilasi dengan kapasitor keramik?

Beberapa desain LDO lama memerlukan ESR minimum yang tidak disediakan kapasitor keramik. Pilih komponen yang dinyatakan stabil dengan kapasitor keluaran keramik.

Apakah dropout yang lebih rendah selalu berarti lebih baik?

Biasanya, tetapi bisa disertai arus quiescent yang lebih tinggi atau persyaratan stabilitas yang berbeda. Sesuaikan parameter dengan aplikasi.

Dapatkah saya mengganti LDO SOT-23-5 pada board SOT-223?

Tidak. Paket dan pinout berbeda. Diperlukan adapter atau layout baru.

Berapa batas arus praktisnya?

Tergantung pada penurunan tegangan dan luas tembaga. Untuk rel 5 V ke 3.3 V, beberapa ratus miliampere adalah tipikal sebelum batas termal mendominasi.

10. Sumber

• Halaman produk TI LM1117:ti.com
• Dokumentasi Diodes AZ1117:diodes.com
• Dokumentasi MaxLinear SPX3819:maxlinear.com