1. Mengapa regulator ini ada di mana-mana

AMS1117-3.3 ialah jawapan lalai kepada "Saya perlukan 3.3 V daripada 5 V" pada papan kecil. Ia ialah regulator penurunan rendah tiga terminal dalam pakej SOT-223, berkadar sekitar 1 A, dengan output tetap 3.3 V dan tiada komponen luaran selain dua kapasitor.

Kesederhanaan itulah sebabnya ia muncul dalam penghala, papan pembangunan, penderia, penyesuai dan pengawal industri. Ia juga sebabnya begitu banyak sumber kedua wujud: susunan pin mudah, litar aplikasi diterbitkan, dan pasaran sangat besar.

Masalahnya ialah komponen ini sering digunakan di luar zon keselesaan termanya. Pereka bentuk melihat "1 A" pada helaian data dan input 12 V, lalu menganggap ia akan berfungsi. Ia tidak akan berfungsi, dan kegagalan itu ialah kegagalan terma yang perlahan dan bukan kerosakan serta-merta.

2. Apa yang sebenarnya penting dalam penggantian LDO

Kebanyakan kegagalan penggantian datang daripada baris ketiga dan keempat, bukan yang pertama. Komponen yang serasi secara elektrik boleh berayun dengan kapasitor yang salah, atau berjalan 20 °C lebih panas kerana laluan termanya berbeza.

3. Keluarga serasi pin

Semua ini menggunakan tapak SOT-223 yang sama: pin 1 ialah bumi (atau pin pelarasan), pin 2 ialah output, pin 3 ialah input, dan tab disambungkan ke output. Itulah sebabnya ia boleh ditukar ganti secara mekanikal.

Satu pengecualian penting: komponen seperti SPX3819 juga merupakan LDO 3.3 V, tetapi ia berada dalam pakej SOT-23 lima pin dengan susunan pin yang berbeza. Ia bukan pengganti untuk papan SOT-223, walaupun ia muncul dalam kategori yang sama.

4. Matematik terma yang menentukan segala-galanya

Pengatur linear melesapkan perbezaan voltan didarab dengan arus: (Vin − Vout) × I. Kuasa itu perlu keluar melalui pakej, dan SOT-223 adalah kecil.

Sekarang gunakan rintangan haba SOT-223 yang tipikal. Dengan kira-kira 80 °C/W dari simpang ke ambien pada kawasan kuprum sederhana, pelesapan 1.7 W menaikkan simpang kira-kira 136 °C melebihi ambien. Pada ambien 40 °C, itu ialah 176 °C — jauh melebihi penarafan maksimum.

Malah 0.5 W terasa panas. Inilah sebabnya penarafan "1 A" mengelirukan dalam praktik: ia menganggap kawasan kuprum yang besar dan susutan voltan yang kecil. Untuk 12 V ke 3.3 V, arus berterusan praktikal ialah beberapa ratus miliamp paling tinggi, dan selalunya lebih rendah di dalam kepungan.

Dropout ialah separuh lagi cerita terma. Apabila input menurun menghampiri voltan output, pengatur keluar daripada kawal atur dan output mengikut input tolak dropout. Pada rel 5 V, ia jarang menjadi isu; pada rel bateri, ia adalah keseluruhan reka bentuk.

Untuk sel litium 3.7 V, LDO 3.3 V pada 300 mA memerlukan dropout di bawah 0.4 V, dan ia memerlukan dropout itu hampir pada penghujung nyahcas. Kebanyakan LDO 1 A menyatakan dropout pada arus kadaran penuh, iaitu pada nilai paling besar. Semak lengkung pada arus sebenar anda, bukan angka utama.

Contoh pengiraan dengan luas kuprum

Ambil rel 5 V ke 3.3 V pada 0.5 A: pelesapan ialah 0.85 W. Dengan 80 °C/W, simpang meningkat 68 °C melebihi ambien — boleh diterima pada ambien 25 °C, marginal pada 50 °C di dalam selongsong.

Menambah kuprum mengubah angka itu dengan cepat. Tab yang disambungkan kepada curahan kuprum 25 mm × 25 mm pada kedua-dua lapisan, dengan beberapa via terma, boleh membawa rintangan berkesan lebih hampir kepada 50 °C/W. 0.85 W yang sama kemudian menaikkan simpang sebanyak kira-kira 43 °C, yang selesa.

Pengajarannya ialah PCB adalah sebahagian daripada pengatur. Dua papan yang menggunakan komponen yang sama boleh berbeza sebanyak 30 °C semata-mata kerana luas kuprum, dan penggantian yang mengabaikan susun atur hanyalah separuh daripada perbandingan.

Rel industri 24 V menjadikan kes ini jelas. Malah 100 mA daripada 24 V ke 3.3 V melesapkan lebih daripada 2 W, yang tidak mampu dibebaskan oleh SOT-223. Setiap reka bentuk sebegini memerlukan peringkat pensuisan terlebih dahulu, tanpa mengira LDO yang digunakan. LDO kemudian menjadi pengatur pasca untuk hingar, bukan penukar utama, dan pelesapannya menurun sebanyak satu urutan magnitud.

5. Apabila pengatur linear ialah jawapan yang salah

Jika input lebih daripada kira-kira dua kali output, atau beban melebihi beberapa ratus miliamp, pengatur pensuisan ialah pilihan yang betul. Ia bukan penggantian — ia ialah topologi berbeza dengan induktor, rangkaian maklum balas yang berbeza dan profil EMI yang berbeza — tetapi ia satu-satunya reka bentuk yang bertahan dalam pengiraan terma.

Satu seni bina biasa ialah bekalan dua peringkat: penukar buck daripada 12 V ke 5 V, kemudian LDO daripada 5 V ke 3.3 V untuk rel analog yang tenang. Ini mengekalkan LDO dalam zon keselesaan termanya dan mengekalkan hingar rendah di tempat yang penting.

Bagi papan yang sudah mempunyai rel 12 V dan LDO 3.3 V yang beroperasi panas, pembaikan termurah selalunya ialah modul buck kecil diikuti oleh LDO sedia ada, bukan mencari LDO yang "lebih baik".

Tetap berbanding boleh laras

Versi tetap 3.3 V ialah pilihan paling mudah: dua kapasitor, tiada pembahagi, tiada timbunan tolerans. Versi boleh laras menggantikan pin bumi dengan nod suap balik dan memerlukan dua perintang.

Bagi papan yang akan disalin ke dalam beberapa varian, bahagian boleh laras selalunya menang dari segi jumlah kos kerana satu gegelung meliputi binaan 1.2 V, 2.5 V dan 3.3 V. Kekurangannya ialah satu nod tambahan untuk dilalui dan pembahagi yang mesti dikira semula — dan voltan rujukan tidak sama merentas keluarga.

Perangkap halus: pada sesetengah bahagian boleh laras, rujukannya ialah 1.25 V, pada yang lain ia berbeza. Pembahagi yang disalin daripada reka bentuk rujukan boleh menghasilkan ralat 5–10% jika voltan rujukan tidak diperiksa.

6. Di mana bahagian serasi pin berbeza

Susutan voltan (dropout).Voltan input minimum pada beban penuh berbeza antara keluarga, dan ia meningkat dengan arus. Bahagian dengan dropout 1.3 V tidak boleh mengawal selia 3.3 V daripada bateri 4.2 V hampir akhir nyahcas.

Arus kuiesen.Sesetengah LDO menarik miliamp tanpa beban; yang lain menarik mikroamp. Bagi produk berasaskan bateri yang tidur sebahagian besar masa, perbezaan itu mendominasi belanjawan tenaga.

Keperluan kapasitor.Reka bentuk LDO lama memerlukan ESR minimum dan boleh berayun dengan kapasitor seramik moden. Komponen yang lebih baharu stabil dengan seramik. Semak lengkung kestabilan, bukan hanya nilai kapasitans.

Rintangan terma.Pakej yang sama boleh mempunyai binaan pelekatan die dan rangka plumbum yang berbeza. Dua komponen dengan tapak serupa boleh beroperasi berselisih 10–20 °C pada pelesapan yang sama.

Hingar, PSRR dan rel analog

Bagi rel digital, hingar tidak relevan. Bagi rel analog, RF dan penderia, spesifikasi yang penting. Hingar keluaran LDO dan keupayaannya menolak riak masukan (PSRR) menentukan sama ada ADC 12-bit melihat rujukan yang bersih.

PSRR menurun dengan frekuensi. Komponen yang menolak 60 dB pada 1 kHz mungkin hanya menolak 20 dB pada 100 kHz, iaitu tepat di mana pra-pengatur pensuisan meletakkan riaknya. Jika rel tersebut membekalkan pengukuran ketepatan, semak lengkung PSRR pada frekuensi pensuisan penukar huluan, bukan hanya pada DC.

Hingar keluaran biasanya dinyatakan dalam µV RMS merentas lebar jalur. Bandingkan lebar jalur: nilai yang dinyatakan merentas 10 Hz–100 kHz tidak setanding dengan nilai yang dinyatakan merentas 10 Hz–1 MHz.

Pemilihan kapasitor dan kestabilan

Kestabilan LDO bergantung pada ESR dan kapasitans kapasitor keluaran. Reka bentuk lama memerlukan ESR minimum — biasanya tantalum atau elektrolitik — dan boleh berayun dengan kapasitor seramik tulen. Komponen yang lebih baharu direka untuk seramik dan mungkin memerlukan kapasitans minimum sebagai gantinya.

Dua peraturan praktikal. Pertama, baca lengkung kestabilan dalam helaian data, bukan hanya nilai kapasitor yang disyorkan. Kedua, letakkan kapasitor input dekat dengan peranti; jejak input yang panjang menambah kearuhan dan boleh mengganggu kestabilan gelung walaupun bahagian output betul.

Jika penggantian menghasilkan rel yang kelihatan baik pada multimeter tetapi mempunyai ayunan frekuensi rendah, kapasitor ialah suspek pertama. Periksa dengan osiloskop pada output, dengan gandingan AC, selama beberapa milisaat.

7. Pelan ujian praktikal

Operasi selari dan perkongsian arus

Pengatur linear tidak berkongsi arus dengan baik. Dua AMS1117 secara selari tidak akan membahagikan beban 1.5 A secara sama rata; unit dengan voltan keluaran sedikit lebih tinggi akan mengambil sebahagian besar arus sehingga hanyutan terma mengubah keseimbangan.

Jika arus lebih diperlukan, gunakan komponen yang dinilai untuknya atau penukar pensuisan. Menambah perintang balast kecil secara bersiri dengan setiap keluaran boleh memaksa perkongsian, tetapi ia mengorbankan ruang kepala voltan dan margin kestabilan — jarang berbaloi untuk rel 3.3 V.

Arus terbalik dan perlindungan

Jika keluaran boleh dipacu melebihi masukan — contohnya apabila rel hiliran kekal hidup selepas masukan dialih keluar — arus boleh mengalir ke belakang melalui pengatur. Sesetengah LDO bertoleransi terhadap ini; yang lain tidak. Semak spesifikasi arus terbalik jika papan mempunyai berbilang bekalan.

Diod Schottky merentasi masukan dan keluaran melindungi daripada kekutuban terbalik tetapi menambah kebocoran dan penurunan voltan kecil. Untuk produk bateri, kebocoran itu mungkin lebih penting daripada nilai perlindungan tersebut.

Perbezaan kualiti antara sumber kedua

Pada titik harga ini, sumber kedua bersaing dari segi kawalan proses sama seperti reka bentuk. Parameter yang paling banyak berbeza ialah toleransi voltan keluaran pada suhu, dropout pada beban penuh, dan arus quiescent.

Bagi rel digital tidak kritikal, perbezaan itu jarang penting. Bagi rel yang membekalkan sensor atau radio, perbezaan itu boleh penting. Minta lengkung suhu dan bukan nilai tipikal 25 °C, dan bandingkan kes terburuk.

8. Kos dan bekalan

Pengatur ini berharga sen, jadi perbezaan harga adalah kecil dari segi mutlak. Pemboleh ubah yang penting ialah ketersediaan, pembungkusan dan kebolehkesanan.

Sumber kedua adalah biasa dan biasanya boleh diterima untuk rel tidak kritikal. Bagi rel analog atau RF, kekal dengan komponen yang bunyi dan PSRR-nya telah anda cirikan, kerana pengatur yang lebih murah boleh merosotkan rantaian pengukuran tanpa gagal dalam sebarang ujian.

Kuantiti reel dan kod tarikh lebih penting daripada harga seunit pada tahap ini. Satu reel penuh komponen yang lebih murah boleh menelan kos lebih tinggi daripada reel separa komponen asal, dan stok lama perlu diperiksa fungsi sebelum digunakan.

Pra-regulator dan modul

Penyelesaian paling praktikal untuk LDO yang panas ialah mengurangkan voltan merentasinya. Penukar buck kecil daripada 12 V ke 5 V, diikuti oleh LDO 3.3 V sedia ada, mengurangkan pelesapan lebih daripada separuh dan mengekalkan rel senyap.

Modul buck siap sedia boleh diterima untuk prototaip tetapi bukan untuk pengeluaran: induktor, kapasitor dan reka bentuk terma tidak diketahui, dan modul itu menjadi komponen sumber tunggal yang tidak dikualifikasikan oleh sesiapa. Reka bentuk pra-regulator pada papan setelah seni bina dimuktamadkan.

Bila hendak mengekalkan yang asal

Jika rel senyap, margin terma kecil, atau produk diperakui, komponen paling murah tidak berbaloi untuk pengkualifikasian semula. Kekalkan yang asal dalam kes tersebut dan gunakan sumber kedua hanya sebagai insurans, bukan sebagai perubahan pengeluaran.

9. FAQ

Adakah LM1117 pengganti terus untuk AMS1117-3.3?

Kedua-duanya berkongsi footprint dan pinout SOT-223. Dropout, kadar arus dan keperluan kapasitor berbeza, jadi sahkan beban dan reka bentuk terma.

Bolehkah saya menggunakan pakej ini untuk mengalirkan 1 A daripada 12 V ke 3.3 V?

Tidak. Itu kira-kira 8.7 W pelesapan, jauh melebihi keupayaan SOT-223. Pengatur pensuisan diperlukan.

Mengapakah LDO saya berayun dengan kapasitor seramik?

Sesetengah reka bentuk LDO lama memerlukan ESR minimum yang tidak disediakan oleh kapasitor seramik. Pilih komponen yang dinyatakan stabil dengan kapasitor keluaran seramik.

Adakah dropout yang lebih rendah sentiasa bermaksud lebih baik?

Biasanya ya, tetapi ia boleh disertai arus quiescent yang lebih tinggi atau keperluan kestabilan yang berbeza. Padankan parameter dengan aplikasi.

Bolehkah saya menggantikan LDO SOT-23-5 pada papan SOT-223?

Tidak. Pakej dan susunan pin berbeza. Ia memerlukan penyesuai atau susun atur baharu.

Apakah had arus praktikal?

Ia bergantung pada susutan voltan dan luas tembaga. Untuk rel 5 V hingga 3.3 V, beberapa ratus miliamp adalah biasa sebelum had terma mendominasi.

10. Sumber

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