Memahami Rangkaian LDO: Prinsip, Tips Desain, dan Aplikasi

Apakah Anda merancang strategi regulasi daya untuk PCB Anda? Atau Anda sedang bekerja pada pembuatan sumber daya kustom untuk papan Anda? Jika ya, sangat penting untuk merenungkan cara terbaik untuk mengontrol daya yang Anda kirim ke komponen Anda. Dan ini berlaku—terutama jika Anda berurusan dengan sistem digital berkecepatan tinggi. Jadi, apakah sumber daya penting? Baik Anda mengambil daya dari tegangan garis atau baterai—penting untuk mengontrol input daya ke level terbaik untuk sistem Anda. Misalnya, jika Anda menggunakan daya dari baterai, rangkaian LDO akan ideal. Dan itu karena regulator linier menyediakan tegangan yang memadai. Plus, ia menawarkan tegangan stabil yang lebih rendah dari tegangan input.

Dengan demikian, kami akan berbicara lebih banyak tentang LDO dengan menyorot elemennya, prinsip kerjanya, aplikasi, dan masih banyak lagi.

Mari kita mulai!

Apa Itu LDO?

LDO adalah singkatan dari Low Dropout. Anda juga dapat menyebutnya sebagai jenis regulator linier saturasi atau rendah kerugian. Dan ia berfungsi pada PD (selisih potensial) rendah antara tegangan sumber daya input dan output.

Regulator LDO hanya dapat menerima tegangan input yang sedikit lebih besar dari tegangan output yang diinginkan. Dan itu karena perangkat ini adalah konverter DC-DC step-down dengan tegangan input variabel. Jadi, dropout voltage merujuk pada variansi terkecil yang menghubungkan input dan tegangan output yang diinginkan atau input sumber daya.

Selanjutnya, terlepas dari efisiensi daya rendah perangkat, ia dapat beroperasi secara stabil dengan tegangan dropout rendah ~1V. Regulator tegangan linier juga dapat menawarkan berbagai tingkat tegangan dengan output yang stabil dan konstan.

Plus, output tegangan LDO independen dari pengosongan baterai, suhu, kehilangan daya, dan impedansi beban. Misalnya, baterai Li-ion Anda memiliki rentang input daya 2,7V hingga 4,2V. 2,7V menandakan baterai yang telah terisi ulang sepenuhnya, sementara 4,7V adalah baterai yang terisi penuh. Jadi, jika tegangan baterai Anda menurun di bawah 3V, LDO dapat menjaga output Anda pada 2,5V.

Apa Elemen Regulator LDO?

Elemen atau komponen kunci LDO meliputi:

Error Amplifier

Error Amplifier dalam Diagram Rangkaian

Sumber: Wikimedia Commons

Jika Anda berencana merancang error amplifier LDO, sangat penting untuk menarik arus yang sekecil mungkin. Mengapa? Karena kapasitansi gate pass transistor besar. Oleh karena itu, resistansi output amplifier harus sangat rendah.

Juga, error amplifier memiliki dua input. Yang pertama adalah ketika pembagi tegangan menurunkan tegangan output. Kemudian, tegangan referensi berikutnya. Jadi, ketika selesai membandingkan kedua input, error amplifier akan memodifikasi resistansi elemen pass.

Pass Element

Pass Element dalam Diagram Rangkaian

Sumber: Wikimedia Commons

Error amplifier menggerakkan elemen pass di dalam loop umpan balik. Dan elemen pass membantu memindahkan tegangan ke beban dari input. Plus, Anda dapat menggunakan NMOS dan PMOS sebagai elemen pass.

Ketika Anda melihat dekat pada rangkaian, Anda akan memperhatikan bahwa V_o(s) terhubung ke V_1(s). Selanjutnya, transistor PMOS membutuhkan tegangan minimum untuk mengatur dengan benar dan tetap basah.

Dan tegangan drain-source minimum V_2(s) bertanggung jawab untuk memberikan tegangan minimum. Namun, penting untuk dicatat bahwa elemen pass PMOS tidak ideal untuk perangkat tegangan sangat rendah.

Juga, Anda dapat mendapatkan tegangan dropout rendah, output, dan input dengan transistor NMOS. Manfaat LDO berbasis elemen pass (NMOS) adalah output regulator berada di sumber transistor. Selain itu, NMOS masuk ke konfigurasi source follower.

Voltage Reference

Elemen ini merujuk pada titik awal regulator karena menentukan titik operasi error amplifier. Selain itu, Anda dapat menggunakan voltage reference jenis band-gap—karena ia memungkinkan bekerja pada tegangan sumber daya rendah.

Output Capacitor

Output Capacitor yang Kuat

Sumber: Wikimedia Commons

Dalam hal beban transient, output capacitor memungkinkan LDO untuk memindahkan arus di dalam beban—dan error amplifier menjadi siap.

Juga, ESR capacitor memainkan peran besar karena membatasi aliran tegangan yang masuk ke beban dari capacitor. Jadi, jika Anda bekerja dengan kapasitor 1µF yang memiliki rentang ESR (10 hingga 300m Ohms), Anda dapat menggunakan jenis kapasitor berikut:

• Kapasitor Tantalum Low-ESR
• Kapasitor Keramik
• Kapasitor Elektrolit Polimer

Feedback

Elemen ini membantu Anda menurunkan tegangan output. Plus, ia memungkinkan perbandingan antara tegangan referensi dan output menggunakan error amplifier.

Fitur LDO

1. Regulator rendah kebisingan dapat menghasilkan tegangan stabil. Dan ia melakukan ini tanpa terpengaruh oleh perubahan tegangan input. Jadi, LDO sempurna untuk menyediakan tegangan pada perangkat yang rentan terhadap kebisingan.
2. Perangkat memerlukan beberapa komponen eksternal (resistor atau kapasitor).
3. LDO memiliki fungsi batas arus yang melindungi sistem dari panas berlebihan.
4. LDO memiliki rangkaian pengosongan output yang membantu mengosongkan dengan cepat dan menurunkan tegangan terminal output mendekati IC GND.
5. Perangkat memiliki fungsi shutdown termal, dan ia membantu menghindari kerusakan dan degradasi.

Bagaimana Cara Kerja LDO?

Diagram Rangkaian Regulator Tegangan LDO

Komponen utama LDO adalah sumber tegangan referensi, elemen pass, dan error amplifier. Dan elemen pass adalah P-channel FET atau N-channel. Jadi, ia dimulai dengan menerapkan tegangan input ke elemen pass (transistor N-channel).

Kemudian, transistor bekerja dalam wilayah linier untuk menurunkan tegangan input. Proses ini berlanjut hingga tegangan input mencapai tegangan output yang diinginkan. Pada titik ini, error amplifier mengenali tegangan output yang dihasilkan. Setelah itu, error amplifier akan membandingkan dua parameter (output dan tegangan referensi).

Juga, error amplifier akan mengubah gate FET ke titik operasi yang benar. Akibatnya, ia membantu memastikan output memiliki tegangan yang akurat. Oleh karena itu, error amplifier akan menyesuaikan FET untuk memiliki output tegangan konstan ketika tegangan input berubah.

Apa yang terjadi ketika kondisi operasi dalam keadaan steady-state? Nah, LDO akan bertindak sebagai resistor sederhana. Plus, Anda dapat menyalakan atau mematikan regulator dengan pin Enable-nya. Fungsi ini membantu pengguna menghindari penggunaan baterai—ketika LDO tidak digunakan.

Kapan Anda Menggunakan LDO?

1. Jika Anda memiliki rentang tegangan input yang luas, LDO ideal. Namun, penting untuk mempertimbangkan mendapatkan output tegangan stabil dari sumber daya. Juga, Anda tidak perlu menyesuaikan sinyal PWM dalam loop umpan balik. Dan itu karena komponen tidak perlu umpan balik ke elemen switching.
2. Anda dapat menggunakan LDO ketika Anda ingin sistem Anda memiliki output daya konstan—terlepas dari penurunan tegangan input.
3. LDO juga berguna untuk mengurangi output agar cocok dengan tegangan output yang diinginkan.

Rangkaian LDO Lanjutan Lainnya

LDO lanjutan bertujuan untuk memberikan tegangan referensi yang dapat dipilih pengguna. Fungsi ini membuat perangkat dapat diprogram.

Biasanya, LDO dapat melewatkan frekuensi tinggi ke ground. Dan itu semua berkat kapasitor shunt diagonal ke output. Namun, desainer rangkaian lebih memperhatikan pemfilteran output dari regulator multistage. Sayangnya, mereka tidak berfokus pada pemfilteran input.

Oleh karena itu, Anda dapat meningkatkan LDO Anda dengan filter EMI. Dengan cara itu, perangkat Anda akan mematuhi EMC/CISPR. Menariknya, fitur ini penting untuk menghasilkan harmoni orde lebih tinggi dengan regulator switching.

Selanjutnya, Anda juga dapat menambahkan aspek lain yang diperlukan untuk memperbaiki distribusi daya untuk sistem Anda (analog dan digital).

Parameter Penting untuk Memilih LDO

Berikut adalah parameter penting yang dipertimbangkan sebelum memilih LDO:

Load Regulation

Parameter ini merujuk pada kemampuan rangkaian untuk mempertahankan tegangan output tertentu di bawah berbagai kondisi beban.

Load Regulation = ∆Vout/ ∆Iout

Quiescent Current

Quiescent adalah keadaan ketenangan. Oleh karena itu, Quiescent current adalah ketika sistem menarik arus dalam mode standby. Juga, ini hanya terjadi ketika baterai terhubung ke perangkat Anda.

Transient Response

Transient response menjelaskan selisih tegangan output tertinggi yang diizinkan untuk perubahan langkah arus beban. Anda juga dapat menyebutnya line step response. Dan parameter ini adalah fungsi dari:

Arus beban maksimum (I_{out max})

ESR dari output capacitor

Nilai output capacitor (C_out)

Bypass Capacitor (C_b)

Persamaan transient response adalah:

∆Vtr, max = (Iout, max / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR

Line Regulation

Line regulation adalah kemampuan rangkaian untuk mempertahankan tegangan output tertentu dengan berbagai tegangan input. Dan Anda dapat mengungkapkannya sebagai:

Line Regulation = ∆Vout / ∆Vin

PSRR (Power Supply Rejection Ratio)

PSRR LDO adalah ketika perangkat dapat membuang elemen AC. Contoh bagus elemen AC adalah ripple voltage. Jadi, Anda dapat mengungkapkannya dengan persamaan di bawah:

PSRR (dB) = 20 log (Vripple (in)/ Vripple (out))

Aplikasi Rangkaian LDO

Anda dapat menggunakan rangkaian LDO dalam aplikasi berikut:

• Sumber daya linier efisiensi tinggi
• Komputer
• SMPS post-regulator dan modul DC/DC
• Komunikasi nirkabel dan kabel
• Aplikasi otomotif
• Perangkat berbasis baterai
• VPP regulation/ PCMCIA VCC
• Aplikasi industri
• Digital core supply

Kata Akhir

Rangkaian LDO memainkan peran signifikan dalam industri elektronika. Bagaimanapun, sebagian besar sumber daya memerlukan regulator linier untuk mendapatkan tegangan yang diinginkan. Jadi, perangkat ini ideal untuk proyek yang memerlukan output daya konstan terlepas dari penurunan tegangan input.

Juga, Anda dapat merujuk pada diagram rangkaian untuk memahami komponen utama. Apa pendapat Anda tentang regulator LDO? Jangan ragu untuk menghubungi kami untuk informasi lebih lanjut.