DC-DC Buck mı LDO mu? Güç Kaynağı Seçiminde Isı, Gürültü ve Pil Ömrü

Seçime giriş gerilimi ve yük profiliyle başlayın

Nominal gerilim tek başına yeterli değildir. Adaptör toleransı, kablo düşümü, pilin dolu ve boş hali, açılış akımı ve ani yük değişimleri tabloya girilmelidir. Mikrodenetleyici uykuda mikroamper, radyo gönderiminde yüzlerce miliamper çekiyorsa yalnız ortalama akıma göre seçim yapmak geçici gerilim düşümlerini gizleyebilir. Girişteki geçici darbeler için regülatörün mutlak maksimum değeri çalışma hedefi olarak kullanılmamalıdır.

LDO gerilim farkını kontrol elemanı üzerinde düşürür; buck dönüştürücü anahtarlama ve enerji depolama elemanlarıyla gerilimi azaltır. İkisi de daha düşük bir çıkış üretmek için seçilebilir, fakat pil gerilimi gereken çıkışın altına düşüyorsa sıradan bir buck veya LDO tek başına yeterli değildir. Böyle bir aralıkta buck-boost gibi uygun bir topoloji ayrıca değerlendirilir.

• En düşük ve en yüksek sürekli giriş gerilimini belirleyin.
• Uyku, normal çalışma ve tepe yük akımlarını ayrı yazın.
• İzin verilen çıkış toleransını, dalgalanmayı ve geçici sapmayı tanımlayın.
• Kasa içi sıcaklığı, kart alanını ve gürültüye hassas devreleri işaretleyin.

LDO kaybını hesaplayın: 5 V giriş, 3,3 V çıkış

İlk yaklaşımda LDO kaybı, giriş ve çıkış gerilim farkının yük akımıyla çarpılmasıdır: P = (Vin − Vout) × Iout. 5 V’tan 3,3 V’a, 0,2 A yükte yaklaşık 0,34 W regülatör üzerinde ısıya dönüşür. Çıkış gücü 0,66 W, boşta akım ihmal edildiğinde verim yaklaşık yüzde 66 olur. Bu hesap seçim için bir başlangıçtır; tüm koşulları kapsayan sıcaklık sonucu değildir.

Örneğin yalnız açıklama amacıyla 100 °C/W birleşim-ortam ısıl direnci kullanılırsa 0,34 W kayıp yaklaşık 34 °C sıcaklık artışı verir. Gerçek değer paket, bakır alanı, katmanlar, hava akışı ve komşu parçalarla değişir. Veri sayfasındaki ısıl direnç belirli bir test kartına aittir. Bu nedenle kapalı kasada ölçüm yapmadan “0,34 W sorun çıkarmaz” kararı verilmemelidir.

Buck dönüştürücüde verim kadar yerleşimi inceleyin

Gerilim farkı veya akım büyüdüğünde buck, LDO’ya göre daha az kayıpla uygun bir çözüm sağlayabilir. Ancak katalogdaki en yüksek verim değeri her giriş ve yük koşulunda geçerli değildir. Verim eğrisini kendi giriş geriliminiz ve yük aralığınız için okuyun. Hafif yük modu, anahtarlama frekansı, bobin kaybı ve çevre bileşenler sonucu etkiler; varsayılan bir verim rakamı bütün tasarımlara taşınmamalıdır.

Buck yerleşiminde hızlı akım döngüleri, giriş kapasitörünün konumu, anahtarlama düğümü ve geri besleme hattı birlikte ele alınır. Büyük bir anahtarlama bakır alanı veya gürültülü hat yanından geçen geri besleme, şeması doğru devrenin davranışını bozabilir. Seçilen entegre için üreticinin önerdiği yerleşim ve bobin-kapasitör koşulları temel alınır. Sonuç, gerçek kartta hem yük adımı hem dalgalanma ölçümüyle doğrulanır.

Dropout, çıkış kondansatörü ve başlatma koşulları

LDO’nun regülasyonda kalması, giriş ile çıkış arasında yeterli pay bulunmasına bağlıdır. Dropout değeri yük ve sıcaklıkla değişebilir; başlıkta verilen tipik rakam yerine ilgili koşullardaki sınırlar incelenir. Giriş gerilimi 3,3 V çıkışın yalnız biraz üzerindeyse kablo düşümü veya pil gerilemesi regülasyonu kaybettirebilir. LDO gerilimi yükseltemez ve kaybolan payı yazılımla geri getiremez.

Çıkış kondansatörü de rastgele seçilmez. Veri sayfasındaki kapasitans, ESR ve yerleşim şartları kontrol döngüsünün kararlılığını etkiler. Seramik kondansatörün DC gerilim altında azalan etkin kapasitansı hesaba katılmalıdır. Enable sırası, çıkışın başka bir kaynaktan beslenmesi ve ters akım ihtimali de incelenir. Regülatör yalnız kararlı çalışmada değil, açılışta ve kapanışta da çevresindeki devrelerle uyumlu olmalıdır.

Pilli cihazlarda boşta akım toplam bütçeyi değiştirebilir

Boşta akım, regülatörün kendi çalışması için çektiği akımdır; kapatma akımıyla aynı koşulu ifade etmez. Sürekli çalışan 200 mA yükün yanında küçük kalan tüketim, uzun süre uyuyan bir sensörde önemli hale gelebilir. Karşılaştırma yaparken LDO veya buck etiketinden çok, seçilen parçanın gerçek yükte ve çalışma modundaki giriş akımı dikkate alınmalıdır.

Örneğin kart uykuda 10 µA çekiyor ve regülatör bu durumda ek 20 µA tüketiyorsa, regülatör bütçedeki önemli kalemdir. Bu yalnız bir hesap örneğidir; belirli bir parça performansını anlatmaz. Bölücü dirençler, LED’ler, koruma elemanları ve bağlı sensörler de hesaba katılmalıdır. Pil ömrü hesabı uyku süresi, aktif süre, radyo darbeleri, pil kapasitesinin kullanılabilen kısmı ve sıcaklıkla birlikte yapılır.

Buck ardından LDO ne zaman anlamlı olur?

Bir kartın bütün beslemeleri aynı gereksinime sahip değildir. Dijital yük için verimli bir buck, hassas analog bölüm için onun ardından uygun bir LDO düşünülebilir. Burada LDO girişinde yeterli pay bırakmak, kendi kaybını hesaplamak ve PSRR değerini gürültünün bulunduğu frekansta incelemek gerekir. LDO’nun tüm anahtarlama gürültüsünü her koşulda sileceği varsayılmamalıdır.

Nihai seçim bir karşılaştırma tablosuyla doğrulanabilir: her aday için sıcaklık, uyku tüketimi, yük adımı cevabı, dalgalanma, başlatma ve bileşen alanı ölçülür. Ölçüm probunun uzun toprak kablosu yanıltıcı gürültü gösterebileceğinden uygun ölçüm bağlantısı kullanılır. En kötü giriş, en yüksek beklenen ortam ve gerçek kasa koşulu denenir. Böylece karar yalnız nominal gerilim ve parça fiyatına dayanmaz.

Sonuç ve sonraki adım

Güç kaynağı seçiminde iyi başlangıç, gerilim ve akımın gerçek sınırlarını belirleyip kaybı hesaplamaktır. Ardından sıcaklık, düşük yük tüketimi ve gürültü gereksinimi mimariyi şekillendirir. LDO, buck veya ikisinin birlikte kullanılması ancak ürünün çalışma profiliyle değerlendirildiğinde anlamlıdır. Prototip üzerindeki ölçümler de bu hesapların yerleşim ve kasa koşullarında geçerli olup olmadığını gösterir.