Panduan Pemilihan Regulator Tegangan Linier

Panduan pemilihan regulator tegangan linear adalah acuan keputusan yang digunakan para insinyur dan pembeli ketika papan membutuhkan rel tegangan yang bersih dan sederhana, dan pilihan berada di antara keluarga-keluarga regulator. Regulator tegangan linear adalah sirkuit terpadu yang menghasilkan tegangan keluaran tetap atau dapat disetel dengan mendisipasikan selisih antara tegangan masukan dan tegangan keluaran sebagai panas; kesederhanaan, derau rendah, dan biaya rendah menjadikannya pilihan utama untuk sebagian besar rel daya di setiap papan. Keputusan pemilihan jarang hanya soal regulator linear, karena perancang juga mempertimbangkan regulator tegangan jatuh rendah, LDO, dan regulator pensaklaran, dan pilihan di antara ketiganya adalah keputusan pertama dan paling menentukan dalam desain rel tersebut. Panduan ini menjelaskan cara kerja regulator linear, perbandingannya dengan LDO dan regulator pensaklaran, cara membaca spesifikasi, tegangan, arus, tegangan jatuh, arus diam, dan termal, cara memilih kemasan dan keluarga, serta kapan regulator pensaklaran menjadi jawaban yang lebih baik, sehingga rel tegangan dipilih berdasarkan bukti, bukan berdasarkan kebiasaan.

Alasan panduan pemilihan ini penting adalah karena kelemahan regulator linear, efisiensinya, juga merupakan sumber keunggulannya, dan perancang harus mencocokkan pertukaran tersebut dengan aplikasi. Regulator linear mengubah kelebihan tegangan antara masukan dan keluaran menjadi panas, sehingga efisiensi menurun seiring membesarnya selisih tegangan jatuh, dan desain termal menjadi batas arus yang dapat disalurkannya. Namun kesederhanaan yang sama menghasilkan keluaran paling bersih, derau paling rendah, respons paling cepat, dan biaya paling rendah, itulah sebabnya regulator linear masih mendominasi rel berarus rendah dan rel yang sensitif terhadap derau. Pemilihan ini adalah latihan pencocokan: arus dan penurunan tegangan menentukan panas, panas menentukan kemasan, dan aplikasi menentukan apakah panas tersebut dapat diterima. Panduan ini menelusuri proses pencocokan tersebut dari awal hingga akhir, sehingga rel berikutnya di papan dipilih berdasarkan angka, keluarga, kemasan, dan anggaran termal, bukan berdasarkan komponen yang kebetulan ada di laci.

Cara Kerja Regulator Tegangan Linear

Regulator tegangan linear menghasilkan tegangan keluaran yang stabil dengan mengalirkan arus masukan melalui transistor seri dan membuang selisih antara tegangan masukan dan tegangan keluaran sebagai panas; pemahaman atas satu fakta itu menjelaskan setiap kompromi pemilihan dalam panduan ini. Regulator mendeteksi tegangan keluaran, membandingkannya dengan referensi internal, dan menyesuaikan konduksi transistor seri untuk mempertahankan keluaran pada tegangan yang disetel. Arus yang mengalir melalui elemen seri sama dengan arus yang ditarik beban, sehingga daya yang terdisipasi dalam regulator adalah selisih tegangan masukan-keluaran dikalikan arus beban. Oleh karena itu, efisiensinya, secara kasar, adalah tegangan keluaran dibagi tegangan masukan, dan efisiensi itu menurun ketika selisih antara masukan dan keluaran membesar. Daya yang terdisipasi muncul sebagai panas di dalam kemasan; kemasan dan papan sirkuit harus membuang panas itu, atau suhu sambungan regulator akan melampaui nilai batasnya. Kesederhanaan regulator linear—satu elemen seri dan satu lingkar kendali—menghasilkan derau rendah, biaya rendah, dan respons cepat yang tidak dapat ditandingi oleh regulator pensaklaran yang lebih kompleks, dan panas itulah harga dari kesederhanaan tersebut.

Arsitektur internalnya juga menjelaskan dua keluarga yang mengapit regulator linear: regulator linear standar dan regulator dengan tegangan jatuh rendah. Regulator linear standar—keluarga 78xx adalah contoh klasiknya—menggunakan susunan transistor seri yang memerlukan selisih minimum antara tegangan masukan dan keluaran, yaitu tegangan jatuh minimum, sekitar 2 volt untuk komponen tradisional; karena itu, 7805 5-volt membutuhkan sekitar 7 volt pada masukannya agar dapat meregulasi dengan bersih. LDO, regulator dengan tegangan jatuh rendah seperti AMS1117 dan LM1117, menggunakan susunan elemen seri yang berbeda sehingga selisih minimumnya turun menjadi beberapa ratus milivolt. Dengan demikian, LDO 3,3-volt dapat meregulasi dari masukan 3,6-volt atau 5-volt dengan kerugian kecil. Tegangan jatuh minimum adalah spesifikasi yang memisahkan kedua keluarga itu, dan angka itulah yang pertama dibaca dalam proses pemilihan, karena tegangan jatuh minimum menentukan tegangan masukan minimum yang dapat ditoleransi rel serta panas yang akan dihasilkan rel. Ketiga keluarga—linear, LDO, dan pensaklaran—adalah peta pemilihan, dan tegangan jatuh minimum adalah batas antara dua keluarga pertama.

Apa arti tegangan jatuh minimum saat memilih regulator

Tegangan jatuh minimum adalah selisih terkecil antara masukan dan keluaran yang memungkinkan regulator tetap mempertahankan tegangan keluarannya yang ditentukan, dan angka itulah yang menentukan seberapa besar ruang kepala yang dibutuhkan rel. Regulator linear tradisional dengan tegangan jatuh 2-volt membutuhkan tegangan masukan berada setidaknya 2 volt di atas tegangan keluaran setiap saat, termasuk selama riak masukan dan transien beban; dengan demikian, rel 5-volt membutuhkan tegangan masukan dijaga di atas sekitar 7 volt. LDO dengan tegangan jatuh 0,3-volt dapat meregulasi keluaran 3,3-volt dari masukan 3,6-volt. Itulah sebabnya LDO menjadi pilihan utama untuk rel baterai dan rel yang beroperasi dekat dengan tegangan masukan. Tegangan jatuh juga ikut menentukan panas, karena tegangan jatuh adalah pemborosan minimum, sedangkan selisih aktual masukan-keluaran adalah pemborosan yang sesungguhnya; rel dengan tegangan jatuh 2-volt yang beroperasi dari masukan 12-volt memboroskan daya jauh lebih banyak daripada nilai minimumnya. Proses pemilihan menilai tegangan jatuh terhadap sumber masukan—baterai, adaptor, rel sebelumnya, dan transien beban—lalu memilih keluarga yang tegangan jatuhnya sesuai dengan ruang kepala dan panas yang dapat ditoleransi rel.

Regulator Linear vs LDO vs Mode Saklar

Pemilihan antara regulator linear, LDO, dan regulator mode saklar merupakan keputusan inti pada rel tegangan, dan ketiga keluarga ini mencerminkan prioritas aplikasi. Regulator linear standar unggul dalam hal kesederhanaan, biaya, dan derau, sehingga menjadi pilihan untuk rel berarus kecil dan rel dengan selisih tegangan masukan-keluaran yang kecil, karena panasnya masih terkendali dan rangkaiannya hanya membutuhkan satu komponen dan dua kapasitor. LDO unggul dalam hal margin tegangan yang rendah dan tegangan jatuh yang rendah, sehingga menjadi pilihan untuk rel yang bekerja dekat dengan tegangan masukannya, rel baterai, dan rel yang diturunkan dari rel yang lebih tinggi dengan margin kecil—saat regulator mode saklar berlebihan dan regulator linear standar tidak dapat digunakan. Regulator mode saklar unggul dalam hal efisiensi, sehingga menjadi pilihan untuk rel dengan perbedaan tegangan masukan-keluaran yang besar atau arus yang tinggi, saat regulator linear dan LDO akan membuang panas yang tidak dapat dibuang oleh kemasan atau papan mana pun. Pilihan ini adalah segitiga antara derau, kesederhanaan, dan efisiensi, dan aplikasi menempatkan rel pada titik sudut yang mampu ditanggungnya.

Perbandingan paling baik disajikan sebagai tabel yang memuat ketiga keluarga tersebut pada dimensi-dimensi yang penting. Efisiensi regulator linear dan LDO adalah keluaran dibagi masukan, dan nilainya turun drastis pada selisih tegangan yang besar, sedangkan efisiensi regulator mode saklar bertahan pada 80 hingga 95 persen di seluruh rentang. Derau keluaran regulator linear dan LDO rendah, berupa riak mikrovolt, sedangkan regulator mode saklar menambahkan riak pensaklaran dan EMI. Biaya dan kesederhanaan berpihak pada regulator linear dan LDO—satu komponen dan dua kapasitor—dibandingkan regulator mode saklar yang membutuhkan induktor, dioda, umpan balik, dan perhatian pada tata letak. Dalam hal respons, regulator linear lebih unggul karena siklus kendalinya cepat, sedangkan regulator mode saklar memiliki siklus yang lebih lambat. Pilihan mengikuti angka-angkanya: rel berarus kecil dengan tegangan jatuh rendah memakai regulator linear atau LDO, sedangkan rel dengan arus tinggi atau perbedaan masukan-keluaran yang besar memakai regulator mode saklar, dan bagian-bagian berikutnya dari panduan ini akan membahas spesifikasi yang membuat pilihan tersebut menjadi tepat.

Dimensi	Regulator linear	Regulator LDO	Regulator mode saklar
Efisiensi	Keluaran/masukan, turun pada selisih besar	Keluaran/masukan, terbaik pada selisih kecil	80–95%, stabil di seluruh rentang
Derau keluaran	Rendah, tanpa riak pensaklaran	Rendah, tanpa riak pensaklaran	Ada riak pensaklaran dan EMI
Biaya dan komponen	Satu komponen, dua kapasitor	Satu komponen, dua kapasitor	Induktor, dioda, umpan balik, tata letak
Tegangan jatuh minimum yang diperlukan	~2 V untuk 78xx klasik	~0,1–0,6 V	Tidak berlaku, arsitektur penaik/penurun
Penggunaan terbaik	Arus kecil, selisih kecil, peka derau	Margin tegangan rendah, rel baterai	Arus tinggi, perbedaan masukan-keluaran besar

Spesifikasi Utama Saat Memilih Regulator Linier

Pemilihan regulator linier membaca serangkaian spesifikasi yang masing-masing menentukan bagian dari desain, dan mengetahuinya mencegah kegagalan yang disembunyikan oleh tegangan dan arus utama. Tegangan keluaran adalah yang pertama dan paling sederhana, tetap untuk varian 78xx dan AMS1117 atau dapat disetel untuk LM317 dan LDO yang dapat disetel, dan harus sesuai dengan target rel dalam toleransi yang diizinkan beban. Arus keluaran adalah yang berikutnya, dan harus mencakup kasus terburuk beban ditambah ruang untuk transien dan pengisian kapasitor, karena regulator yang berjalan pada batas arusnya akan runtuh saat terjadi lonjakan. Tegangan dropout, yang dibaca sebagai spesifikasi, menentukan input minimum dan panas, seperti yang dijelaskan pada bagian sebelumnya. Arus diam adalah arus yang ditarik regulator untuk menjalankan dirinya sendiri, dan ini penting untuk rel baterai yang setiap mikroamp-nya diperhitungkan dan untuk rel yang selalu aktif. Regulasi saluran dan beban menyatakan seberapa baik keluaran bertahan terhadap perubahan input dan beban, dan koefisien suhu menyatakan pergeseran keluaran di seluruh rentang. Spesifikasi adalah jawaban datasheet terhadap kebutuhan rel, dan pemilihan membaca masing-masing terhadap desain.

Pemilihan juga membaca peringkat yang menentukan ketahanan komponen, dan itu layak mendapat perhatian tersendiri. Tegangan input maksimum absolut menentukan lonjakan dan kondisi terbalik yang harus ditahan regulator, dan input harus dilindungi dengan kapasitor dan dioda pelindung yang disyaratkan datasheet. Peringkat suhu sambungan dan resistansi termal menentukan panas yang dapat dipindahkan kemasan, dan suhu sambungan sama dengan suhu sekitar ditambah daya yang hilang dikalikan resistansi termal, angka yang harus tetap di bawah peringkat. Perlindungan hubung singkat dan termal menentukan perilaku saat terjadi gangguan, lipat balik dan pematian yang disediakan regulator klasik, dan perilaku batas arus yang harus ditoleransi desain. Resistansi termal kemasan, nilai sambungan-ke-sekitar dan sambungan-ke-kemasan, menentukan heatsink dan tembaga papan yang dibutuhkan desain. Peringkat adalah lapisan pemilihan yang disembunyikan angka utama, dan teknisi yang membacanya memilih komponen yang bertahan, bukan sekadar komponen yang mengatur.

Cara membaca spesifikasi termal regulator linier

Membaca spesifikasi termal adalah perhitungan yang menentukan apakah regulator linier layak pada arus yang dibutuhkan desain. Hitung daya yang hilang, selisih input-ke-output dikalikan arus keluaran, lalu tambahkan daya diam, dan hitung suhu sambungan, suhu sekitar ditambah daya yang hilang dikalikan resistansi termal sambungan-ke-sekitar. Bandingkan suhu sambungan dengan peringkat sambungan maksimum komponen, dan saat melebihi peringkat, pilihannya adalah arus yang lebih rendah, kemasan yang lebih besar, heatsink, tembaga papan, suhu sekitar yang lebih rendah, atau regulator switching. Resistansi sambungan-ke-sekitar adalah kemampuan kemasan membuang panas ke udara diam, dan resistansi sambungan-ke-kemasan ditambah resistansi kemasan-ke-heatsink memodelkan jalur heatsink untuk TO-220 dan kemasan daya. Perhitungan adalah gerbang pemilihan, dan itulah alasan rel arus tinggi dan penurunan besar meninggalkan keluarga linier menuju keluarga switching, karena tidak ada kemasan yang dapat membuang watt. Pembacaan termal adalah disiplin yang mengubah pemilihan regulator dari pilihan tegangan dan arus menjadi desain termal.

Pemilihan Berdasarkan Tegangan, Arus, dan Dropout

Pemilihan berdasarkan tegangan, arus, dan dropout adalah inti praktis dari metode ini, dan berjalan dalam urutan yang jelas. Pertama, tetapkan tegangan keluaran, nilai tetap untuk komponen tetap atau jaringan resistor untuk komponen yang dapat disetel, dan konfirmasi toleransi terhadap beban. Kedua, tetapkan arus keluaran, beban kasus terburuk ditambah cadangan, dan konfirmasi rating komponen serta kelayakan termalnya pada arus tersebut dan pada penurunan tegangan dari masukan ke keluaran. Ketiga, tetapkan dropout, masukan minimum yang harus ditoleransi rel, tegangan sel baterai yang rendah, penurunan tegangan adaptor, dan toleransi rel sebelumnya, lalu pilih keluarga yang dropout-nya cocok, linier standar untuk cadangan yang besar dan LDO untuk yang ketat. Ketiga pengaturan ini mempersempit bidang ke keluarga dan rating, dan spesifikasi lainnya, yaitu derau, arus diam, dan proteksi, menentukan komponen spesifiknya. Urutan pemilihan adalah kerangka metode ini, dan spesifikasi lainnya bergantung padanya.

Pemilihan juga mempertimbangkan persyaratan khusus aplikasi, karena tegangan dan arus tidak mencakup setiap rel. Rel untuk front-end analog berfokus pada derau dan PSRR, rel untuk modul nirkabel berfokus pada riak dan respons transien, rel untuk memori atau logika berfokus pada toleransi dan pengurutan, dan rel untuk baterai berfokus pada arus diam dan dropout pada tegangan sel yang rendah. Persyaratan aplikasi adalah penentu yang memilih di antara komponen yang lolos filter tegangan dan arus, dan itulah alasan dua desain dengan rel 3,3 volt yang sama dapat secara wajar memilih komponen yang berbeda. Oleh karena itu, metode pemilihan adalah sebuah corong: tegangan, arus, dan dropout mempersempit bidang, lalu persyaratan khusus aplikasi memilih pemenangnya. Corong ini adalah disiplin yang menjaga pemilihan tetap berpijak pada desain, bukan pada kebiasaan.

Cara memilih antara regulator linier tetap dan yang dapat disetel

Pilihan antara regulator tetap dan yang dapat disetel adalah keputusan kecil dengan aturan yang jelas. Pilih regulator tetap ketika relnya adalah tegangan standar, seperti 5 volt, 3,3 volt, 2,5 volt, dan sejenisnya, dan desain membutuhkan komponen paling sedikit serta pengaktifan paling presisi, karena komponen tetap hanyalah satu komponen dan referensi serta pembagi internalnya telah disetel di pabrik. Pilih regulator yang dapat disetel, seperti LM317 dan LDO yang dapat disetel, ketika relnya adalah tegangan non-standar, ketika desain membutuhkan nilai yang tidak ditawarkan katalog regulator tetap, atau ketika komponen yang sama harus melayani beberapa rel di papan dengan mengganti resistor, karena komponen yang dapat disetel mengubah satu perangkat menjadi keluarga keluaran. Komponen yang dapat disetel memiliki konsekuensi berupa pembagi resistor eksternal beserta toleransinya, yang menambah toleransi keluaran, dan juga menanggung risiko pergeseran resistor serta derau tata letak pada pin adjust. Aturannya adalah mengutamakan komponen tetap untuk rel standar dan komponen yang dapat disetel untuk rel non-standar dan rel bersama, dan pilihan ini adalah detail kecil dari proses pemilihan yang ditentukan oleh persyaratan tegangan.

Desain Termal dan Pemilihan Kemasan

Pemilihan kemasan adalah desain termal yang diwujudkan secara fisik, dan merupakan separuh dari proses pemilihan yang paling banyak menjadi sumber kegagalan. Resistansi termal kemasan, yaitu nilai sambungan-ke-ambien dan sambungan-ke-kemasan, menentukan berapa banyak panas yang dapat dibuang komponen, dan pilihan kemasan mengikuti daya disipasi: SOT-23 dan SOT-89 yang kecil untuk rel-rel miliwatt, SOT-223, SO-8, dan DPAK untuk rentang watt, serta TO-220 dan kemasan daya yang lebih besar untuk watt yang membutuhkan pendingin. Papan sirkuit adalah pendingin kedua, dan luas area tembaga serta via di bawah bantalan termal membuang panas, sehingga tata letak bantalan termal merupakan bagian dari desain termal. Suhu ambien dan wadah melengkapi gambaran tersebut, karena suhu sambungan adalah suhu ambien ditambah watt dikali resistansi, dan wadah yang memerangkap panas menaikkan suhu ambien yang dilihat sambungan. Kemasan, papan sirkuit, dan wadah adalah sistem termal, dan pemilihan menyesuaikan sistem tersebut dengan daya disipasi yang dituntut rel.

Desain termal juga membaca siklus kerja beban dan kondisi terburuk, karena panas mengikuti arus dan arus mengikuti aplikasi. Rel yang beroperasi pada arus penuh secara terus-menerus membutuhkan analisis termal penuh, dan rel yang beroperasi pada arus penuh sesaat lalu diam dapat dilayani oleh daya rata-rata dan konstanta waktu termal papan sirkuit. Kondisi terburuk, yaitu tegangan input maksimum, beban maksimum, dan suhu ambien maksimum, adalah kondisi yang harus ditahan desain termal, dan pemilihan menggunakan kondisi terburuk, bukan kondisi tipikal. Desain termal adalah gerbang yang dihormati oleh keluarga linear, dan rel yang watt-nya melebihi kemampuan kemasan untuk membuangnya adalah rel yang menjadi milik keluarga switching, apa pun yang disarankan oleh noise dan kesederhanaan. Pembacaan termal adalah hakim yang jujur atas pemilihan tersebut, dan itulah alasan perbandingan sebelumnya dalam panduan ini menyerahkan rel berdaya tinggi kepada regulator switching.

Cara memilih kemasan regulator untuk daya yang dibutuhkan rel

Memilih kemasan untuk daya yang dibutuhkan rel adalah perhitungan dan peta. Hitung daya disipasi pada kondisi terburuk, dan baca resistansi termal kemasan terhadap suhu ambien untuk menemukan suhu sambungan, lalu cocokkan daya dengan kemampuan kemasan untuk membuangnya. Untuk rel di bawah satu watt, SOT-23 dan SOT-89 membuang miliwatt dengan bantuan tembaga papan sirkuit. Untuk rel satu hingga dua watt, SOT-223, SO-8, dan DPAK membawa watt dengan area tembaga papan sirkuit yang memadai dan via termal. Untuk watt yang lebih tinggi, TO-220 dan DPAK dengan pendingin atau area tembaga yang luas adalah jawabannya, dan resistansi kemasan-ke-ambien dari pendingin ditambahkan ke dalam model. Aturannya adalah menyisakan ruang cadangan, karena papan sirkuit aktual, wadah, dan aliran udara berbeda dari nilai udara bebas pada datasheet, dan komponen yang pas di batas pada datasheet akan mengalami panas berlebih di dalam produk. Pemilihan kemasan adalah keputusan fisik dari desain termal, dan perhitungan serta ruang cadangan itulah yang menjaga suhu sambungan tetap di dalam ratingnya sepanjang umur produk.

Keluarga Regulator Linear: 78xx, LM317, LM1117, dan Penggantinya

Keluarga regulator linear adalah kosakata utama dalam pemilihan, dan mengenalnya membuat penggantian serta pengadaan komponen terpilih menjadi mudah. Keluarga 78xx—7805, 7812, dan lainnya—adalah regulator positif tetap klasik dengan tegangan jatuh 2 volt yang cukup besar, kemasan TO-220 dan SO-8 serta berbagai kemasan lain, dan konfigurasi pin yang begitu terstandar sehingga keluarga ini kompatibel pin di semua pemasok, mencakup LM7805, L7805, KA7805, dan sederet komponen domestik yang berbagi tata letak tiga pin. LM317 adalah regulator yang dapat disetel klasik, keluarannya diatur oleh dua resistor, dan juga distandarisasi di semua pemasok dengan konfigurasi pin yang sama pada TO-220 dan SO-8. LM1117 dan AMS1117 adalah keluarga LDO, komponen 3,3 dan 5 volt dengan tegangan jatuh rendah yang meregulasi hanya dengan ruang tegangan beberapa ratus milivolt, dan keduanya berbagi konfigurasi pin yang direproduksi pasar di semua pemasok. Keluarga-keluarga ini adalah katalog yang menjadi acuan pemilihan, dan kompatibilitas pin di semua pemasok adalah alasan komponen yang terpilih juga merupakan komponen yang dapat diganti.

Aspek penggantian perlu dijelaskan secara eksplisit, karena pemilihan regulator linear juga berarti memilih komponen yang akan dipasok dan pada akhirnya diganti. Kompatibilitas pin keluarga 78xx berarti papan yang dirancang di sekitar LM7805 dapat dipasok oleh L7805, KA7805, atau 7805 domestik, pada tapak dan pengujian yang sama—contoh klasik pengganti kompatibel pin yang menjadi fokus katalog situs ini. AMS1117 dan LM1117 berbagi konfigurasi pin LDO, dan keluarga LM317 berbagi konfigurasi pin untuk regulator yang dapat disetel, sehingga pemilihan setiap keluarga membuka pasar penggantian keluarga tersebut. Metode pemilihan dalam panduan ini karena itu berakhir di titik pengadaan dimulai: keluarga terpilih, kompatibilitas pin, dan opsi penggantian; inilah alasan regulator linear menjadi salah satu komponen paling mudah di katalog ini untuk dipilih sekaligus diganti. Keluarga-keluarga ini adalah kosakatanya, kompatibilitas pin adalah tata bahasanya, dan pemilihan serta penggantian berbicara dalam bahasa yang sama.

Cara Mengganti Regulator 78xx atau LDO dengan Aman

Mengganti regulator 78xx atau LDO dengan aman adalah penerapan metode kompatibel pin pada keluarga tersebut. Pertama, pastikan kemasan dan konfigurasi pin: varian TO-220, SO-8, dan SOT-223 memiliki tapak yang berbeda, dan penempatan pin harus cocok dengan papan. Kedua, pastikan tegangan keluaran dan arus: pengganti 7805 harus berupa komponen 5 volt yang mampu menangani beban, dan pengganti LDO harus sesuai dengan keluaran serta tegangan jatuh yang dibutuhkan rel. Ketiga, pastikan tegangan jatuh dan karakteristik termal: regulator linear standar untuk rel LDO tidak dapat meregulasi dengan ruang tegangan sempit milik LDO, dan komponen dengan kemasan termal yang lebih buruk akan kepanasan pada arus yang ditarik rel. Keempat, pastikan rentang masukan dan proteksi: nilai maksimum absolut dan proteksi polaritas terbalik harus sesuai dengan kondisi papan. Lalu, uji pengganti pada papan: akurasi keluaran, perubahan beban, dan performa termal pada rentang suhu, lalu catat perbandingannya. Substitusi adalah metode pemilihan yang dijalankan pada keluarga tersebut, dan disiplin itulah yang membuat pengganti yang kompatibel pin tetap bekerja mulus—standar yang diterapkan katalog situs ini pada setiap komponen yang dikirimnya.

Derau, PSRR, dan Aplikasi Presisi

Keunggulan utama regulator linear dibandingkan regulator switching adalah derau yang rendah, dan aplikasi presisi serta aplikasi analog adalah tempat keunggulan tersebut menentukan pemilihan. Derau keluaran regulator linear dispesifikasikan sebagai kerapatan spektral dan total derau terintegrasi, dan hal ini penting untuk front-end analog, jalur audio, rel sensor, dan rel referensi, tempat derau catu daya tergandeng ke dalam sinyal. Rasio penolakan catu daya, PSRR, menyatakan seberapa baik regulator meredam derau dan riak pada masukannya, dan hal ini penting untuk rel yang diturunkan dari sumber yang berderau, rel switching, atau adaptor listrik. Aplikasi presisi memilih komponen dengan derau rendah dan PSRR tinggi, dan pemilihan tersebut membaca kurva derau dan PSRR terhadap kebutuhan sinyal, bukan terhadap angka tunggal pada datasheet. Derau dan PSRR adalah spesifikasi yang tidak tercakup oleh tegangan dan arus utama, dan keduanya adalah alasan dua rel dengan keluaran yang sama memilih komponen yang berbeda.

Derau dan PSRR juga menghubungkan pemilihan dengan seluruh papan, karena kebersihan rel adalah properti sistem, bukan properti komponen. Kapasitor masukan dan kapasitor keluaran membentuk derau dan stabilitas, bypass pada beban berperan penting, dan tata letak ground menggandengkan atau mengisolasi derau. Oleh karena itu, pemilihan memasangkan komponen berderau rendah dengan decoupling dan tata letak yang dibutuhkan aplikasi, dan bagian aplikasi pada datasheet adalah panduan untuk nilai kapasitor dan tata letak. Rel presisi adalah sebuah sistem, dan pemilihan adalah elemen pertama dari sistem tersebut, bukan keseluruhannya. Derau dan PSRR adalah alasan keberadaan regulator linear, dan aplikasi yang membutuhkannya adalah aplikasi yang keluarga linear, bukan keluarga switching, dipilih untuk melayani.

Cara membaca kurva PSRR regulator linear

Membaca kurva PSRR berarti membaca bagaimana regulator menolak derau masukan di seluruh rentang frekuensi, dan itulah angka yang sebenarnya digunakan oleh desain presisi. PSRR diplot sebagai penolakan dalam desibel terhadap frekuensi, dan nilainya tinggi pada frekuensi rendah, puluhan desibel, lalu turun seiring naiknya frekuensi, dengan kurva yang dibentuk oleh loop kendali regulator dan kompensasi internalnya. Desain membaca PSRR pada frekuensi tempat derau masukan berada, frekuensi switching dari rel sebelumnya, listrik jala-jala beserta harmoniknya, dan derau pita lebar, lalu membandingkan penolakan pada frekuensi-frekuensi tersebut terhadap toleransi sinyal. Regulator dengan PSRR frekuensi rendah yang tinggi tetapi kurva pada frekuensi tinggi yang menurun menolak riak 100 hertz dengan baik dan riak switching megahertz dengan buruk, dan desain memasangkannya dengan filter yang mencakup frekuensi-frekuensi yang ditolaknya lemah. Kurva PSRR adalah instrumen pemilihan presisi, dan itulah alasan rel dengan derau rendah dipilih berdasarkan kurva, bukan berdasarkan angka utama.

Kapan regulator pensaklaran adalah pilihan yang tepat

Regulator linear dan regulator LDO memiliki keterbatasan masing-masing, dan regulator pensaklaran adalah pilihan yang tepat ketika keterbatasan itu mulai terasa. Pilih regulator pensaklaran ketika arusnya tinggi, ketika selisih input-output besar, atau ketika efisiensi dan panas lebih penting daripada derau, karena keluarga linear membuang kelebihannya sebagai panas yang tidak dapat dilepaskan oleh kemasan apa pun, sedangkan keluarga pensaklaran mengubahnya menjadi output dengan efisiensi 80–95 persen. Pilih regulator pensaklaran ketika rel harus diturunkan dari bus tegangan tinggi, rel 24 volt atau 48 volt, ke rel logika rendah, di mana pemborosan linear akan menjadi bencana. Pilih regulator pensaklaran ketika anggaran termal papan sudah habis terpakai, dan ketika daya tahan baterai bergantung pada efisiensi konversi daripada pada arus diam. Regulator pensaklaran membayar efisiensinya dengan derau, riak, EMI, biaya, dan perhatian pada tata letak, dan desain yang membutuhkan efisiensi menerima biaya tersebut. Pemilihan antara keluarga linear dan keluarga pensaklaran adalah pemilihan antara rel yang bersih dan sederhana dengan rel yang efisien, dan angka-angka menentukan mana yang mampu ditanggung oleh aplikasi.

Pilihan pensaklaran juga mencakup desain hibrida, karena kedua keluarga bekerja sama, bukan secara eksklusif. Papan yang menggunakan regulator pensaklaran untuk menurunkan bus tegangan tinggi ke rel antara, dan regulator linear atau LDO untuk membersihkan rel tersebut bagi beban analog dan beban sensitif, mendapatkan efisiensi dari regulator pensaklaran dan derau rendah dari regulator linear dalam desain yang sama, dan kaskade adalah salah satu arsitektur daya yang paling umum dalam elektronika. Kaskade membaca riak pensaklaran pada PSRR regulator linear, dan ia memilih regulator linear atau LDO yang penolakannya mencakup frekuensi pensaklaran. Karena itu, metode pemilihan menentukan keluarga per rel, regulator pensaklaran untuk tahap daya tinggi dan regulator linear untuk rel yang bersih, dan kaskade adalah sistem yang kedua keluarga bangun bersama. Panduan pemilihan regulator linear adalah separuh dari desain daya, dan pilihan pensaklaran adalah separuh lainnya, dan kedua separuh itu bertemu dalam kaskade.

Contoh Penerapan: Memilih Rel Tegangan untuk Papan Kontrol Industri

Memilih rel untuk papan kontrol industri adalah contoh penerapan yang menunjukkan keseluruhan proses pemilihan pada desain nyata, dan kasusnya adalah papan yang beroperasi dari catu daya industri 24 volt serta membutuhkan rel logika 5 volt dan rel 3,3 volt yang bersih untuk bagian analog. Rel pertama, rel logika 5 volt, berasal dari bus 24 volt melalui regulator pensaklaran, karena penurunan 19 volt pada arus logika akan mendisipasikan watt yang tidak mampu dilepaskan oleh kemasan linear mana pun, dan regulator pensaklaran menurunkan 24 volt menjadi rel perantara 5 volt dengan efisiensi kelas 80 persen. Rel kedua, rel bersih 3,3 volt, berasal dari rel perantara 5 volt melalui LDO, karena penurunan 1,7 volt pada arus analog hanyalah daya kecil yang dapat dilepaskan oleh LDO, dan dropout rendah serta derau rendah dari LDO memberikan pasokan bersih kepada bagian analog yang tidak dapat diberikan oleh rel pensaklaran. Pemilihan menentukan keluarga regulator per rel: pensaklaran untuk langkah penurunan tegangan tinggi dan arus tinggi, serta LDO untuk langkah penurunan rendah yang bersih, dan kaskade adalah arsitektur yang dijelaskan oleh bagian pensaklaran. Contoh penerapan ini menunjukkan pemilihan sebagai keputusan per rel, dan itulah keputusan yang diformalkan oleh alur kerja.

Contoh penerapan ini juga memperhitungkan pemeriksaan yang ditambahkan oleh papan industri, karena lingkungan industri mengubah bobot pemilihan. Transien pada bus 24 volt dan kondisi polaritas terbalik menentukan perlindungan input, kapasitor input, dan TVS yang direkomendasikan oleh datasheet, dan rentang suhu, yaitu suhu lingkungan industri, menentukan perhitungan termal pada kasus terburuk, bukan pada kondisi meja kerja. Presisi bagian analog bergantung pada derau dan PSRR dari LDO, sedangkan rel bagian digital bergantung pada toleransi dan beban. Papan industri adalah model dari bobot pemilihan yang sebenarnya, dan model inilah yang diubah oleh alur kerja serta daftar periksa di bagian berikutnya menjadi sebuah prosedur, yang merupakan penyelesaian praktis dari panduan pemilihan regulator linear.

Alur Kerja untuk Memilih Regulator Tegangan Linier

Metode pemilihan lengkap ini tertuang dalam alur kerja yang dijalankan seorang insinyur dalam urutan yang sama. Pertama, tetapkan kebutuhan rel tegangan: tegangan keluaran, arus kasus terburuk, rentang masukan beserta penurunannya, toleransi, noise, dan anggaran termal. Kedua, pilih keluarga regulator: regulator linier untuk rel berarus kecil, bertegangan jatuh rendah, dan sensitif terhadap noise; LDO untuk rel dengan ruang kepala sempit; serta regulator switching untuk rel berarus tinggi dan bertegangan jatuh besar, lalu catat pilihannya. Ketiga, baca spesifikasi—dropout, arus diam, regulasi, noise, PSRR, dan proteksi—dibandingkan dengan kebutuhan rel. Keempat, hitung aspek termal: daya yang hilang pada kasus terburuk, suhu sambungan, dan kemasan yang membuang panasnya, lalu pilih kemasan dan heatsink. Kelima, pilih komponen dari keluarga tersebut—tipe tetap atau dapat disetel, kemasan, dan vendor—serta konfirmasi kompatibilitas pin dan opsi penggantinya untuk keperluan sourcing. Keenam, verifikasi di papan: akurasi keluaran, perubahan beban, transien, noise, dan termal pada rentang suhu, lalu catat hasil pengukurannya. Urutan itulah metode pemilihan regulator tegangan linier, dan metode yang sama berlaku baik untuk rel logika 3,3 volt maupun rel analog 5 volt.

Alur kerja inilah yang membuat rel tegangan dipilih berdasarkan bukti, bukan karena kebiasaan. Dengan kebutuhan yang telah ditetapkan, rel menjadi terdefinisi. Dengan keluarga yang telah dipilih, pertukarannya menjadi eksplisit. Dengan spesifikasi yang telah dibaca, komponen cocok dengan desain. Dan dengan perhitungan termal yang dilakukan serta komponen yang terverifikasi, rel mampu bertahan sepanjang umur produk. Seluruh nilai dari metode ini adalah bahwa regulator linier—komponen daya paling sederhana di papan—dipilih dengan ketelitian yang sama seperti komponen yang paling kompleks, karena panas, tegangan jatuh, dan noise dari komponen sederhana inilah yang menopang keandalan rel, dan disiplin dalam pemilihan itulah yang menjaga papan tetap berjalan. Seorang insinyur yang menjalankan alur kerja ini memilih regulator tegangan linier melalui pemilihan keluarga, pembacaan spesifikasi, dan perhitungan termal—itulah inti dari pemilihan regulator tegangan linier yang dilakukan dengan baik.