1. Vì sao bộ điều áp này có mặt ở khắp nơi

AMS1117-3.3 là câu trả lời mặc định cho "Tôi cần 3.3 V từ 5 V" trên một bo mạch nhỏ. Đây là bộ điều áp dropout thấp ba chân trong gói SOT-223, định mức khoảng 1 A, với đầu ra cố định 3.3 V và không cần linh kiện ngoài nào ngoài hai tụ điện.

Chính sự đơn giản đó là lý do nó xuất hiện trong router, bo mạch phát triển, cảm biến, bộ chuyển đổi và bộ điều khiển công nghiệp. Đó cũng là lý do có nhiều nguồn hàng thay thế đến vậy: sơ đồ chân đơn giản, mạch ứng dụng được công bố, và thị trường rất lớn.

Vấn đề là linh kiện này thường được dùng ngoài vùng nhiệt độ an toàn của nó. Nhà thiết kế thấy "1 A" trên datasheet và đầu vào 12 V, rồi cho rằng nó sẽ hoạt động. Nó sẽ không, và hỏng hóc là kiểu thoái hóa nhiệt chậm chứ không phải lỗi tức thời.

2. Điều thực sự quan trọng khi thay thế LDO

Hầu hết các lỗi thay thế đến từ hàng thứ ba và thứ tư, không phải hàng đầu tiên. Một linh kiện tương thích về điện có thể dao động với tụ điện sai, hoặc chạy nóng hơn 20 °C vì đường nhiệt của nó khác.

3. Các dòng tương thích chân

Tất cả các linh kiện này đều sử dụng cùng footprint SOT-223: chân 1 là GND (hoặc chân adjust), chân 2 là đầu ra, chân 3 là đầu vào, và tab được nối với đầu ra. Đó là lý do chúng có thể thay thế nhau về mặt cơ khí.

Một ngoại lệ quan trọng: các linh kiện như SPX3819 cũng là LDO 3.3 V, nhưng chúng nằm trong package SOT-23 năm chân với cách bố trí chân khác. Chúng không phải là linh kiện thay thế cho bo mạch SOT-223, dù chúng xuất hiện trong cùng danh mục.

4. Phép tính nhiệt quyết định mọi thứ

Một regulator tuyến tính tiêu tán hiệu điện thế nhân với dòng điện: (Vin − Vout) × I. Công suất đó phải thoát ra qua package, và SOT-223 thì nhỏ.

Giờ hãy áp dụng điện trở nhiệt SOT-223 điển hình. Với khoảng 80 °C/W từ tiếp giáp đến môi trường trên một diện tích đồng khiêm tốn, công suất tiêu tán 1.7 W làm tăng nhiệt độ tiếp giáp khoảng 136 °C so với môi trường. Ở môi trường 40 °C thì đó là 176 °C — vượt xa mức định mức tối đa.

Ngay cả 0.5 W cũng đã ấm. Đây là lý do tại sao định mức "1 A" gây hiểu nhầm trên thực tế: nó giả định một diện tích đồng lớn và mức sụt áp nhỏ. Với 12 V xuống 3.3 V, dòng điện liên tục thực tế tốt nhất chỉ vài trăm miliampe, và thường còn thấp hơn bên trong vỏ máy.

Dropout là nửa còn lại của câu chuyện nhiệt. Khi đầu vào giảm về phía điện áp đầu ra, bộ điều áp rời khỏi chế độ điều chỉnh và đầu ra bám theo đầu vào trừ đi dropout. Trên rail 5 V, điều đó hiếm khi là vấn đề; trên rail pin, đó là toàn bộ thiết kế.

Đối với pin lithium 3.7 V, một LDO 3.3 V ở 300 mA cần dropout dưới 0.4 V, và cần dropout đó gần cuối quá trình xả. Hầu hết LDO 1 A chỉ định dropout tại dòng định mức đầy đủ, nơi nó lớn nhất. Hãy kiểm tra đường cong tại dòng thực tế của bạn, không phải con số trên tiêu đề.

Một ví dụ tính toán với diện tích đồng

Lấy một rail 5 V sang 3.3 V ở 0.5 A: công suất tiêu tán là 0.85 W. Với 80 °C/W, junction tăng 68 °C so với môi trường — chấp nhận được ở môi trường 25 °C, sát ngưỡng ở 50 °C bên trong vỏ.

Thêm đồng sẽ thay đổi con số nhanh chóng. Một tab được nối với một vùng đổ đồng 25 mm × 25 mm trên cả hai lớp, cùng một vài via nhiệt, có thể đưa điện trở hiệu dụng gần hơn tới 50 °C/W. Cùng 0.85 W khi đó sẽ nâng junction thêm khoảng 43 °C, mức này thoải mái.

Bài học là PCB là một phần của bộ điều áp. Hai bo mạch dùng cùng linh kiện có thể chênh nhau 30 °C chỉ vì diện tích đồng, và một phép thay thế bỏ qua layout chỉ là một nửa của phép so sánh.

Một rail công nghiệp 24 V khiến trường hợp này trở nên rõ ràng. Ngay cả 100 mA từ 24 V xuống 3.3 V cũng tiêu tán hơn 2 W, mà một SOT-223 không thể tản được. Mọi thiết kế như vậy đều cần một tầng chuyển mạch trước, bất kể dùng LDO nào. Khi đó LDO trở thành bộ hậu điều chỉnh để xử lý nhiễu, không phải bộ chuyển đổi chính, và công suất tiêu tán của nó giảm đi một bậc độ lớn.

5. Khi bộ điều áp tuyến tính là lựa chọn sai

Nếu điện áp đầu vào lớn hơn khoảng hai lần đầu ra, hoặc tải trên vài trăm miliampe, thì bộ điều áp chuyển mạch là lựa chọn đúng. Đây không phải là sự thay thế — đó là một topo khác với một cuộn cảm, một mạng hồi tiếp khác và một đặc tính EMI khác — nhưng đó là thiết kế duy nhất trụ được với các tính toán nhiệt.

Một kiến trúc phổ biến là nguồn hai tầng: bộ chuyển đổi buck từ 12 V xuống 5 V, sau đó một LDO từ 5 V xuống 3.3 V cho một rail tương tự ít nhiễu. Điều đó giữ LDO trong vùng nhiệt an toàn của nó và duy trì độ nhiễu thấp ở những nơi cần thiết.

Đối với một bo mạch đã có rail 12 V và một LDO 3.3 V đang chạy nóng, cách khắc phục rẻ nhất thường là một module buck nhỏ đặt trước LDO hiện có, chứ không phải tìm kiếm một LDO "tốt hơn".

Cố định so với điều chỉnh được

Phiên bản cố định 3.3 V là lựa chọn đơn giản nhất: hai tụ điện, không có bộ chia, không có cộng dồn dung sai. Phiên bản điều chỉnh thay thế chân nối đất bằng một nút hồi tiếp và cần hai điện trở.

Đối với một bo mạch sẽ được sao chép thành nhiều biến thể, linh kiện điều chỉnh thường thắng về tổng chi phí vì một cuộn linh kiện đáp ứng các cấu hình 1.2 V, 2.5 V và 3.3 V. Cái giá phải trả là thêm một nút cần đi dây và một bộ chia phải được tính lại — và điện áp tham chiếu không giống nhau giữa các dòng sản phẩm.

Một cạm bẫy tinh vi: ở một số linh kiện điều chỉnh, điện áp tham chiếu là 1.25 V, ở những linh kiện khác thì khác. Một bộ chia được sao chép từ thiết kế tham chiếu có thể tạo ra sai số 5–10% nếu không kiểm tra điện áp tham chiếu.

6. Những điểm khác biệt ở các linh kiện tương thích chân

Điện áp sụt.Điện áp đầu vào tối thiểu ở tải đầy đủ khác nhau giữa các dòng sản phẩm, và nó tăng theo dòng điện. Một linh kiện có điện áp sụt 1.3 V không thể ổn định 3.3 V từ pin 4.2 V gần cuối quá trình xả.

Dòng điện tĩnh.Một số LDO tiêu thụ miliampe khi không tải; số khác chỉ tiêu thụ microampe. Với sản phẩm dùng pin thường ở chế độ ngủ phần lớn thời gian, sự khác biệt đó chi phối ngân sách năng lượng.

Yêu cầu về tụ điện.Các thiết kế LDO cũ cần ESR tối thiểu và có thể dao động với tụ gốm hiện đại. Các linh kiện mới hơn ổn định với tụ gốm. Hãy kiểm tra đường cong ổn định, không chỉ giá trị điện dung.

Điện trở nhiệt.Cùng một vỏ đóng gói có thể có cấu tạo gắn khuôn và khung dẫn khác nhau. Hai linh kiện có cùng kích thước chân có thể chênh nhau 10–20 °C ở cùng mức tiêu tán công suất.

Nhiễu, PSRR và các rail tương tự

Đối với các rail số, nhiễu không quan trọng. Đối với các rail tương tự, RF và cảm biến, thông số kỹ thuật mới là điều quan trọng. Nhiễu đầu ra của LDO và khả năng loại bỏ gợn đầu vào (PSRR) quyết định liệu ADC 12 bit có thấy một tham chiếu sạch hay không.

PSRR giảm theo tần số. Một linh kiện loại bỏ 60 dB tại 1 kHz có thể chỉ loại bỏ 20 dB tại 100 kHz, đúng nơi bộ tiền điều chỉnh chuyển mạch đặt gợn của nó. Nếu rail cấp cho một phép đo chính xác, hãy kiểm tra đường cong PSRR tại tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi phía trước, không chỉ tại DC.

Nhiễu đầu ra thường được quy định bằng µV RMS trên một băng thông. Hãy so sánh băng thông: một con số được công bố trên 10 Hz–100 kHz không thể so sánh với con số được công bố trên 10 Hz–1 MHz.

Lựa chọn tụ điện và độ ổn định

Độ ổn định của LDO phụ thuộc vào ESR và điện dung của tụ đầu ra. Các thiết kế cũ yêu cầu ESR tối thiểu — thường là tụ tantalum hoặc tụ điện phân — và có thể dao động với tụ gốm thuần. Các linh kiện mới hơn được thiết kế cho tụ gốm và thay vào đó có thể yêu cầu điện dung tối thiểu.

Hai quy tắc thực tế. Thứ nhất, hãy đọc đường cong ổn định trong datasheet, không chỉ giá trị tụ điện được khuyến nghị. Thứ hai, giữ tụ điện đầu vào gần thiết bị; một đường mạch đầu vào dài sẽ thêm điện cảm và có thể làm mất ổn định vòng lặp ngay cả khi phía đầu ra đã đúng.

Nếu một sự thay thế tạo ra một rail trông ổn trên đồng hồ vạn năng nhưng có dao động tần số thấp, tụ điện là nghi phạm đầu tiên. Hãy kiểm tra bằng máy hiện sóng ở đầu ra, ghép AC, trong vài mili giây.

7. Một kế hoạch kiểm thử thực tế

Vận hành song song và chia sẻ dòng điện

Các bộ ổn áp tuyến tính không chia sẻ dòng điện tốt. Hai AMS1117 mắc song song sẽ không chia đều tải 1.5 A; con có điện áp đầu ra cao hơn một chút sẽ nhận phần lớn dòng điện cho đến khi trôi nhiệt làm thay đổi sự cân bằng.

Nếu cần thêm dòng điện, hãy dùng linh kiện có định mức phù hợp hoặc bộ biến đổi chuyển mạch. Thêm một điện trở ballast nhỏ nối tiếp với mỗi đầu ra có thể buộc chia dòng, nhưng điều đó làm mất khoảng dự trữ điện áp và biên ổn định — hiếm khi đáng giá đối với rail 3.3 V.

Dòng điện ngược và bảo vệ

Nếu đầu ra có thể bị kéo cao hơn đầu vào — ví dụ khi một rail phía sau vẫn còn điện sau khi đầu vào bị ngắt — dòng điện có thể chạy ngược qua bộ ổn áp. Một số LDO chịu được điều này; số khác thì không. Hãy kiểm tra thông số dòng điện ngược nếu bo mạch có nhiều nguồn cấp.

Một diode Schottky mắc giữa đầu vào và đầu ra bảo vệ chống đảo cực nhưng làm tăng dòng rò và một sụt áp nhỏ. Đối với sản phẩm dùng pin, dòng rò đó có thể quan trọng hơn lợi ích mà việc bảo vệ mang lại.

Khác biệt chất lượng giữa các nguồn thứ hai

Ở mức giá này, các nguồn thứ hai cạnh tranh về kiểm soát quy trình cũng như về thiết kế. Các thông số thay đổi nhiều nhất là dung sai điện áp đầu ra theo nhiệt độ, dropout ở tải đầy đủ và dòng điện tĩnh.

Đối với rail số không tới hạn, những khác biệt đó hiếm khi quan trọng. Đối với rail cấp nguồn cho cảm biến hoặc radio, chúng có thể quan trọng. Hãy yêu cầu các đường cong nhiệt độ thay vì giá trị điển hình ở 25 °C, và so sánh trường hợp xấu nhất.

8. Chi phí và nguồn cung

Các bộ điều áp này có giá vài xu, nên chênh lệch giá là nhỏ về giá trị tuyệt đối. Các biến số quan trọng là khả năng sẵn có, đóng gói và khả năng truy xuất nguồn gốc.

Các nguồn thứ hai là phổ biến và thường được chấp nhận cho các rail không tới hạn. Đối với rail tương tự hoặc RF, hãy dùng một linh kiện mà bạn đã đặc trưng hóa nhiễu và PSRR, vì một bộ điều áp rẻ hơn có thể làm suy giảm chuỗi đo lường mà không làm trượt bất kỳ bài kiểm tra nào.

Số lượng cuộn và mã ngày quan trọng hơn đơn giá ở cấp độ này. Một cuộn đầy đủ của linh kiện rẻ hơn có thể tốn hơn một cuộn lẻ của linh kiện gốc, và tồn kho cũ cần được kiểm tra chức năng trước khi sử dụng.

Bộ tiền ổn áp và mô-đun

Cách khắc phục thực tế nhất cho một LDO bị nóng là giảm điện áp đặt lên nó. Một bộ chuyển đổi buck nhỏ từ 12 V xuống 5 V, theo sau là LDO 3.3 V hiện có, giảm công suất tiêu tán đi hơn một nửa và giữ được nguồn êm.

Các mô-đun buck làm sẵn có thể chấp nhận cho nguyên mẫu nhưng không cho sản xuất: cuộn cảm, tụ điện và thiết kế nhiệt không rõ, và mô-đun trở thành linh kiện một nguồn mà không ai đủ điều kiện thẩm định. Hãy thiết kế bộ tiền ổn áp lên bo mạch khi kiến trúc đã được chốt.

Khi nào nên giữ linh kiện gốc

Nếu nguồn êm, biên nhiệt nhỏ, hoặc sản phẩm đã được chứng nhận, linh kiện rẻ nhất không đáng để tái đánh giá. Trong những trường hợp đó, hãy giữ linh kiện gốc và chỉ dùng nguồn thứ hai như bảo hiểm, không phải thay đổi sản xuất.

9. FAQ

LM1117 có phải là linh kiện thay thế trực tiếp cho AMS1117-3.3 không?

Chúng có chung footprint và pinout SOT-223. Điện áp dropout, định mức dòng và yêu cầu tụ điện khác nhau, vì vậy hãy kiểm tra tải và thiết kế nhiệt.

Tôi có thể cho 1 A từ 12 V xuống 3.3 V với vỏ đóng gói này không?

Không. Đó là khoảng 8.7 W công suất tiêu tán, vượt xa khả năng xử lý của SOT-223. Cần dùng bộ điều áp chuyển mạch.

Tại sao LDO của tôi dao động với tụ gốm?

Một số thiết kế LDO cũ cần ESR tối thiểu mà tụ gốm không cung cấp được. Hãy chọn linh kiện được chỉ định là ổn định với tụ đầu ra gốm.

Độ sụt áp thấp hơn có luôn có nghĩa là tốt hơn không?

Thường là vậy, nhưng có thể đi kèm dòng điện tĩnh cao hơn hoặc yêu cầu ổn định khác. Hãy khớp thông số với ứng dụng.

Tôi có thể thay thế LDO SOT-23-5 trên bo mạch SOT-223 không?

Không. Kiểu đóng gói và sơ đồ chân khác nhau. Cần bộ chuyển đổi hoặc bố cục mới.

Giới hạn dòng điện thực tế là bao nhiêu?

Điều này phụ thuộc vào độ sụt áp và diện tích đồng. Đối với đường ray 5 V xuống 3,3 V, vài trăm miliampe là mức điển hình trước khi giới hạn nhiệt chiếm ưu thế.

10. Nguồn

• Trang sản phẩm TI LM1117:ti.com
• Tài liệu Diodes AZ1117:diodes.com
• Tài liệu MaxLinear SPX3819:maxlinear.com