Lineer Voltaj Regülatörü Seçim Kılavuzu

Lineer voltaj regülatörü seçim kılavuzu, kart üzerinde temiz ve basit bir voltaj rayına ihtiyaç duyulduğunda ve seçim regülatör aileleri arasında kaldığında mühendislerin ve satın almacıların kullandığı karar referansıdır. Lineer voltaj regülatörü, giriş ve çıkış arasındaki farkı ısı olarak yayarak sabit veya ayarlanabilir bir çıkış voltajı üreten bir entegre devredir; basitliği, düşük gürültüsü ve düşük maliyeti, onu her karttaki güç raylarının büyük bir kısmı için varsayılan seçenek haline getirir. Seçim kararı nadiren sadece lineer regülatörle ilgilidir, çünkü tasarımcı aynı zamanda düşük düşümlü regülatörü (LDO) ve anahtarlamalı regülatörü de değerlendirir; bu üçü arasındaki seçim, ray tasarımının ilk ve en önemli kararıdır. Bu kılavuz, lineer regülatörlerin nasıl çalıştığını, LDO ve anahtarlamalı regülatörlerle nasıl karşılaştırıldığını, voltaj, akım, dropout, sükunet akımı ve termal değerler gibi spesifikasyonların nasıl okunacağını, paket ve ailenin nasıl seçileceğini ve anahtarlamalı regülatörün ne zaman daha iyi bir yanıt olduğunu açıklar; böylece voltaj rayı alışkanlıklardan ziyade kanıtlara dayanarak seçilir.

Bir seçim kılavuzunun önemli olmasının nedeni, lineer regülatörün zayıflığı olan verimliliğinin aynı zamanda güçlü yanlarının kaynağı olmasıdır ve tasarımcının bu ödünleşimi uygulamaya uydurması gerekir. Bir lineer regülatör, fazla giriş-çıkış voltajını ısıya dönüştürür, bu nedenle dropout farkı büyüdükçe verimlilik düşer ve termal tasarım, sağlayabileceği akımın sınırı haline gelir. Ancak aynı basitlik; en temiz çıkışı, en düşük gürültüyü, en hızlı tepkiyi ve en düşük maliyeti sağlar, bu nedenle lineer regülatör düşük akımlı ve gürültüye duyarlı raylarda hala hakimiyetini sürdürmektedir. Seçim bir eşleştirme egzersizidir: akım ve düşüm ısıya karar verir, ısı pakete karar verir ve uygulama ısının kabul edilebilir olup olmadığına karar verir. Bu kılavuz, bu eşleştirme egzersizini uçtan uca yürütür, böylece karttaki bir sonraki ray, çekmecede tesadüfen bulunan parça yerine sayılara, aileye, pakete ve termal bütçeye göre seçilir.

Lineer Voltaj Regülatörü Nasıl Çalışır?

Bir lineer voltaj regülatörü, giriş akımını bir geçiş transistöründen geçirerek ve giriş ile çıkış arasındaki farkı ısı olarak yayarak kararlı bir çıkış voltajı üretir; bu tek gerçeği anlamak, bu kılavuzdaki her seçim kriterini açıklar. Regülatör çıkışı algılar, dahili bir referansla karşılaştırır ve çıkışı ayarlanan voltajda tutmak için geçiş transistörünün iletimini ayarlar. Geçiş elemanından akan akım, yükün çektiği akımla aynıdır, bu nedenle regülatörde yayılan güç, giriş-çıkış voltaj farkının yük akımıyla çarpımıdır. Dolayısıyla verimlilik, kabaca çıkış voltajının giriş voltajına bölünmesidir ve giriş ile çıkış arasındaki fark arttıkça düşer. Yayılan güç, pakette ısı olarak görünür ve paket ile kart bu ısıyı uzaklaştırmalıdır, aksi takdirde regülatörün jonksiyon sıcaklığı nominal değerini aşar. Lineer regülatörün basitliği (tek bir geçiş elemanı ve bir kontrol döngüsü), daha karmaşık anahtarlamalı regülatörlerin eşleşemeyeceği düşük gürültü, düşük maliyet ve hızlı tepkiyi sunar; ısı ise bu basitliğin bedelidir.

Dahili mimari ayrıca lineer regülatörü çevreleyen iki aileyi de açıklar: standart lineer regülatör ve düşük düşümlü (low-dropout) regülatör. Klasik 78xx ailesi olan standart lineer regülatör, geleneksel parçalar için yaklaşık 2 voltluk bir minimum giriş-çıkış farkı (dropout voltajı) gerektiren bir geçiş transistörü düzenlemesi kullanır; bu nedenle 5 voltluk bir 7805'in temiz bir şekilde regüle etmesi için yaklaşık 7 volt girişe ihtiyacı vardır. AMS1117 ve LM1117 gibi düşük düşümlü regülatör olan LDO, minimum farkı birkaç yüz milivolta indiren farklı bir geçiş elemanı düzenlemesi kullanır; böylece 3.3 voltluk bir LDO, 3.6 voltluk veya 5 voltluk bir girişten az kayıpla regüle edebilir. Dropout voltajı, aileleri ayıran özelliktir ve seçimde okunan ilk sayıdır, çünkü hattın tolere edebileceği minimum girişi ve hattın üreteceği ısıyı belirler. Lineer, LDO ve anahtarlamalı olmak üzere üç aile, seçimin haritasıdır ve dropout, ilk ikisi arasındaki sınırdır.

Regülatör seçerken dropout voltajı ne anlama gelir?

Dropout voltajı, regülatörün belirtilen çıkışını hala koruduğu giriş ve çıkış arasındaki en küçük farktır ve hattın ne kadar boşluk payına (headroom) ihtiyaç duyacağına karar veren sayıdır. 2 volt dropout değerine sahip geleneksel bir lineer regülatör, giriş dalgalanması ve yük geçişleri dahil olmak üzere girişin her zaman çıkışın en az 2 volt üzerinde kalmasına ihtiyaç duyar; bu nedenle 5 voltluk bir hattın girişinin yaklaşık 7 voltun üzerinde tutulması gerekir. 0.3 volt dropout değerine sahip bir LDO, 3.6 voltluk bir girişten 3.3 voltluk bir çıkışı regüle edebilir, bu nedenle LDO, pil hatları ve girişe yakın çalışan hatlar için tercih edilen parçadır. Dropout ayrıca ısıyı da şekillendirir, çünkü dropout minimum kayıptır ve gerçek giriş-çıkış farkı gerçek kayıptır; 12 voltluk bir girişten çalışan 2 volt dropout değerine sahip bir hat, minimumdan çok daha fazlasını israf eder. Seçim süreci; dropout değerini giriş kaynağına, pile, adaptöre, önceki hatta ve yükün geçişine göre değerlendirir ve dropout değeri hattın tolere edebileceği boşluk payına ve ısıya uygun olan aileyi seçer.

Lineer vs LDO vs Anahtarlamalı Regülatörler

Lineer, LDO ve anahtarlamalı regülatörler arasındaki seçim, besleme hattının temel kararıdır ve bu üç aile uygulamanın önceliklerine göre eşleşir. Standart lineer regülatör basitlik, maliyet ve gürültü konularında öne çıkar; ısı yönetilebilir olduğu ve devre tek bir parça ile iki kapasitörden oluştuğu için düşük akımlı hatlar ve giriş-çıkış farkının küçük olduğu hatlar için ideal tercihtir. LDO, düşük "headroom" ve düşük voltaj düşümü (drop) konularında öne çıkar; giriş voltajına yakın çalışan hatlar, batarya hatları ve anahtarlamalı regülatörün aşırı kaçacağı, standart lineer regülatörün ise sığmayacağı küçük marjlı yüksek hatlardan türetilen hatlar için tercihtir. Anahtarlamalı regülatör ise verimlilik konusunda öne çıkar; lineer ve LDO'nun hiçbir paket veya kartın uzaklaştıramayacağı kadar ısı yayacağı, büyük giriş-çıkış farkı olan veya yüksek akımlı hatlar için tercihtir. Seçim; gürültü, basitlik ve verimlilikten oluşan bir üçgendir ve uygulama, besleme hattını karşılayabileceği köşeye yerleştirir.

Karşılaştırma, en iyi şekilde üç ailenin önemli boyutlar üzerinden bir tablosu olarak okunur. Lineer ve LDO'nun verimliliği, çıkışın girişe bölünmesidir ve büyük voltaj farklarında çöker; buna karşın anahtarlamalı regülatörün verimliliği tüm aralıkta yüzde 80 ile 95 arasında kalır. Lineer ve LDO'nun çıkış gürültüsü düşüktür, mikrovolt seviyesinde dalgalanma (ripple) gösterir; anahtarlamalı regülatör ise anahtarlama dalgalanması ve EMI ekler. Maliyet ve basitlik, anahtarlamalı regülatörün indüktör, diyot, geri besleme ve yerleşim (layout) özenine karşı, tek parça ve iki kapasitör ile lineer ve LDO'dan yanadır. Tepki süresi, kontrol döngüsü hızlı olan lineer regülatörü, anahtarlamalı regülatörün daha yavaş döngüsüne karşı avantajlı kılar. Seçim rakamları takip eder: düşük akımlı ve düşük voltaj farkı olan hat lineer veya LDO alır, yüksek akımlı veya büyük voltaj farkı olan hat anahtarlamalı regülatör alır ve kılavuzun kalan bölümleri seçimi kesinleştiren spesifikasyonları inceler.

Boyut	Lineer regülatör	LDO regülatör	Anahtarlamalı regülatör
Verimlilik	Çıkış/giriş, büyük farkta düşer	Çıkış/giriş, düşük farkta en iyisi	%80–95, tüm aralıkta korunur
Çıkış gürültüsü	Düşük, anahtarlama dalgalanması yok	Düşük, anahtarlama dalgalanması yok	Anahtarlama dalgalanması ve EMI
Maliyet ve parçalar	Tek parça, iki kapasitör	Tek parça, iki kapasitör	İndüktör, diyot, geri besleme, yerleşim
Gereken Dropout	Klasik 78xx için ~2 V	~0.1–0.6 V	N/A, boost/buck mimarisi
En iyi kullanım	Düşük akım, küçük fark, gürültüye duyarlı	Düşük headroom, batarya hatları	Yüksek akım, büyük giriş-çıkış farkı

Lineer Regülatör Seçerken Temel Spesifikasyonlar

Lineer regülatör seçimi, her biri tasarımın bir parçasını belirleyen bir dizi spesifikasyonun okunmasını içerir ve bunları bilmek, ana voltaj ve akım değerlerinin gizlediği arızaları önler. Çıkış voltajı, 78xx ve AMS1117 varyantları için sabit veya LM317 ve ayarlanabilir LDO'lar için ayarlanabilir olan ilk ve en basit değerdir; yükün izin verdiği tolerans dahilinde hattın hedefiyle eşleşmelidir. Çıkış akımı bir sonrakidir ve yükün en kötü durum senaryosunu, geçici rejimler ve kapasitör şarjı için gereken payı kapsamalıdır; çünkü akım sınırında çalışan bir regülatör ani dalgalanma altında çöker. Spesifikasyon olarak okunan dropout voltajı, önceki bölümde açıklandığı gibi minimum girişi ve ısıyı belirler. Quiescent current (sükunet akımı), regülatörün kendisini çalıştırmak için çektiği akımdır ve her mikroamperin önemli olduğu pil hatları ile her zaman açık (always-on) hatlar için önem taşır. Line ve load regülasyonu, çıkışın giriş ve yük değişimlerine karşı ne kadar iyi tutunduğunu belirtir; sıcaklık katsayısı ise çıkışın aralık boyunca kaymasını ifade eder. Spesifikasyonlar, veri sayfasının (datasheet) hattın gereksinimlerine verdiği yanıttır ve seçim, her birini tasarıma göre değerlendirir.

Seçim süreci ayrıca parçanın hayatta kalmasını belirleyen değerleri de okumayı gerektirir ve bunlar ayrı bir ilgiyi hak eder. Mutlak maksimum giriş voltajı, regülatörün dayanması gereken dalgalanma ve ters yön koşullarını belirler; giriş, veri sayfasının gerektirdiği kapasitörler ve koruma diyotları ile korunmalıdır. Jonksiyon sıcaklık değeri ve termal direnç, kılıfın taşıyabileceği ısıyı belirler; jonksiyon sıcaklığı, ortam sıcaklığı artı yayılan güç çarpı termal dirence eşittir ve bu sayı değerin altında kalmalıdır. Kısa devre ve termal koruma, hata durumundaki davranışı, klasik regülatörlerin sağladığı foldback ve shutdown özelliklerini ve tasarımın tolere etmesi gereken akım sınırlama davranışını belirler. Kılıfın termal direnci, jonksiyon-ortam ve jonksiyon-kasa değerleri, tasarımın ihtiyaç duyduğu soğutucu ve kart bakır alanını belirler. Bu değerler, seçimin ana rakamların arkasında kalan katmanıdır ve bunları okuyan mühendis, sadece regüle eden parçayı değil, hayatta kalan parçayı seçer.

Bir lineer regülatörün termal spesifikasyonu nasıl okunur?

Termal spesifikasyonu okumak, bir lineer regülatörün tasarımın ihtiyaç duyduğu akımda uygulanabilir olup olmadığını belirleyen hesaplamadır. Yayılan gücü (giriş-çıkış farkı çarpı çıkış akımı) hesaplayın ve sükunet gücünü ekleyin; ardından jonksiyon sıcaklığını (ortam sıcaklığı artı yayılan güç çarpı jonksiyon-ortam termal direnci) hesaplayın. Jonksiyon sıcaklığını parçanın maksimum jonksiyon değeriyle karşılaştırın; değer aşıldığında seçenekler daha düşük akım, daha büyük kılıf, soğutucu, kart bakırı, daha düşük ortam sıcaklığı veya anahtarlamalı regülatördür. Jonksiyon-ortam direnci, kılıfın ısıyı durgun havaya atma yeteneğidir; jonksiyon-kasa direnci artı kasa-soğutucu direnci ise TO-220 ve güç kılıfları için soğutucu yolunu modeller. Bu hesaplama seçimin kapısıdır ve yüksek akımlı veya büyük düşüşlü hatların lineer ailesinden ayrılıp anahtarlamalı aileye geçmesinin nedenidir; çünkü hiçbir kılıf wattlarca ısıyı atamaz. Termal okuma, bir regülatör seçimini voltaj ve akım tercihinden termal bir tasarıma dönüştüren disiplindir.

Gerilim, Akım ve Dropout Değerine Göre Seçim

Gerilim, akım ve dropout değerine göre seçim yapmak, yöntemin pratik merkezidir ve net bir sıra ile ilerler. İlk olarak çıkış gerilimini ayarlayın; sabit parçalar için sabit değeri veya ayarlanabilir parçalar için direnç ağını belirleyin ve yüke karşı toleransı onaylayın. İkinci olarak çıkış akımını, yani en kötü durum yükü artı payı (headroom) ayarlayın ve parçanın anma değerini, bu akımdaki termal uygulanabilirliğini ve giriş-çıkış düşüşünü onaylayın. Üçüncü olarak dropout değerini, yani hattın tolere etmesi gereken minimum girişi, bataryanın düşük hücre seviyesini, adaptörün sarkmasını ve önceki hattın toleransını ayarlayın; dropout değeri uygun olan aileyi seçin: geniş pay için standart lineer, dar pay için LDO. Bu üç ayar, seçenekleri ilgili aileye ve anma değerine indirger; gürültü, sükunet akımı (quiescent current) ve koruma gibi geri kalan özellikler ise spesifik parçaya karar verir. Seçim sırası yöntemin iskeletidir ve diğer tüm özellikler bu iskelete tutunur.

Seçim süreci aynı zamanda uygulamanın özel gereksinimlerini de değerlendirir, çünkü gerilim ve akım her hattın karakterini tam olarak yansıtmaz. Analog ön uç (analog front end) için bir hat gürültü ve PSRR değerine bakar; kablosuz modül için bir hat dalgalanma (ripple) ve geçici tepkiye (transient response) bakar; bellek veya lojik için bir hat tolerans ve sıralamaya (sequencing) bakar; batarya için bir hat ise sükunet akımı ve düşük hücredeki dropout değerine bakar. Uygulama gereksinimleri, gerilim ve akım filtrelerini geçen parçalar arasında seçim yapmayı sağlayan belirleyicilerdir ve aynı 3.3-volt hattına sahip iki tasarımın meşru olarak farklı parçalar seçmesinin nedenidir. Bu nedenle seçim yöntemi bir hunidir; gerilim, akım ve dropout alanı daraltır, uygulamanın özel gereksinimleri ise kazananı belirler. Bu huni, seçimin alışkanlıklardan ziyade tasarıma dayalı kalmasını sağlayan disiplindir.

Sabit ve ayarlanabilir lineer regülatör arasında seçim nasıl yapılır?

Sabit veya ayarlanabilir seçimi, net bir kuralı olan küçük bir karardır. Hat standart bir gerilim (5-volt, 3.3-volt, 2.5-volt ve benzeri) olduğunda ve tasarım en az parça ile en sıkı başlatmaya ihtiyaç duyduğunda sabit regülatörü seçin; çünkü sabit parça tek bir bileşendir ve dahili referansı ile bölücüsü fabrikada ayarlanmıştır. Hat standart dışı bir gerilim olduğunda, tasarım sabit katalogda sunulmayan bir değere ihtiyaç duyduğunda veya aynı parçanın bir direnci değiştirerek karttaki birkaç hatta hizmet etmesi gerektiğinde LM317 ve ayarlanabilir LDO'lar gibi ayarlanabilir regülatörü seçin; çünkü ayarlanabilir parça tek bir cihazı bir çıkış ailesine dönüştürür. Ayarlanabilir parça, çıkış toleransına eklenen harici direnç bölücü maliyetini ve onun toleransını taşır; ayrıca direnç kayması ve ayar (adjust) pinindeki yerleşim gürültüsü riskini barındırır. Kural, standart hatlar için sabit parçayı, standart dışı ve paylaşılan hatlar için ayarlanabilir parçayı tercih etmektir; bu seçim, gerilim gereksiniminin belirlediği seçimin küçük ayrıntısıdır.

Termal Tasarım ve Paket Seçimi

Paket seçimi, termal tasarımın fiziksel hale gelmiş halidir ve çoğu arızanın temelinde yatan seçimin yarısıdır. Paketin termal direnci, jonksiyon-ortam ve jonksiyon-kasa değerleri, parçanın ne kadar ısı atabileceğini belirler ve paket seçimi yayılan gücü takip eder: miliwatt seviyesindeki raylar için küçük SOT-23 ve SOT-89; watt aralığı için SOT-223, SO-8 ve DPAK; soğutucu gerektiren watt değerleri için ise TO-220 ve daha büyük güç paketleri kullanılır. Devre kartı ikinci soğutucudur; bakır alan ve termal pedin altındaki vialoglar ısıyı uzaklaştırır, bu nedenle termal pedin yerleşimi termal tasarımın bir parçasıdır. Ortam sıcaklığı ve muhafaza resmi tamamlar, çünkü jonksiyon sıcaklığı, ortam sıcaklığı artı watt çarpı direnç değeridir ve ısıyı hapseden muhafaza, jonksiyonun gördüğü ortam sıcaklığını yükseltir. Paket, kart ve muhafaza termal sistemi oluşturur ve seçim, sistemi rayın gerektirdiği yayılan güce göre boyutlandırır.

Termal tasarım aynı zamanda yükün çalışma döngüsünü ve en kötü durumu da analiz eder, çünkü ısı akımı, akım ise uygulamayı takip eder. Sürekli tam akımda çalışan bir ray tam termal analiz gerektirir; kısa süreliğine tam akımda çalışıp boşta bekleyen bir ray ise ortalama güç ve kartın termal zaman sabiti ile idare edilir. En kötü durum —maksimum giriş voltajı, maksimum yük ve maksimum ortam sıcaklığı— termal tasarımın hayatta kalması gereken koşuldur ve seçimde tipik değerler yerine en kötü durum kullanılır. Termal tasarım, lineer ailesinin saygı duyduğu bir eşiktir; watt değeri paketin ısı atma kabiliyetini aşan bir ray, gürültü ve basitlik neyi önerirse önersin, anahtarlamalı aileye aittir. Termal okuma, seçimin dürüst yargıcıdır ve kılavuzun önceki karşılaştırmasında yüksek güçlü rayları anahtarlamalı regülatöre bırakmasının nedeni budur.

Rayın ihtiyaç duyduğu güç için bir regülatör paketi nasıl seçilir?

Rayın ihtiyaç duyduğu güç için paket seçmek bir hesaplama ve bir haritadır. En kötü durumdaki yayılan gücü hesaplayın ve jonksiyon sıcaklığını bulmak için paketin ortama karşı termal direncini okuyun, ardından gücü paketin ısı atma yeteneğiyle eşleştirin. Watt altı raylar için SOT-23 ve SOT-89, miliwattları kart bakırı ile atar. Bir ila iki wattlık raylar için SOT-223, SO-8 ve DPAK, geniş kart bakırı ve termal vialoglar ile wattları taşır. Daha yüksek wattlar için TO-220 ve bir soğutucuya sahip DPAK veya geniş bakır alan cevaptır ve soğutucunun kasa-ortam direnci modele eklenir. Kural, pay bırakmaktır; çünkü gerçek kart, muhafaza ve hava akışı veri sayfasındaki (datasheet) serbest hava rakamlarından farklıdır ve veri sayfasındaki sınırda sığan parça, ürün içinde aşırı ısınır. Paket seçimi, termal tasarımın fiziksel kararıdır; hesaplama ve pay bırakma, jonksiyonun ürün ömrü boyunca anma değerleri içinde kalmasını sağlayan şeydir.

Lineer Regülatör Aileleri: 78xx, LM317, LM1117 ve Muadilleri

Lineer regülatör aileleri, seçim sürecinin temel kelime dağarcığıdır ve bunları bilmek, seçilen parçanın değiştirilmesini ve tedarik edilmesini kolaylaştırır. 7805, 7812 ve diğerlerinden oluşan 78xx ailesi; 2 voltluk cömert bir dropout değerine, TO-220, SO-8 ve çeşitli paket seçeneklerine sahip klasik sabit pozitif regülatördür. Pin dizilimi o kadar standartlaşmıştır ki aile; LM7805, L7805, KA7805 ve üç pinli yerleşimi paylaşan yerli parçalar arasında pin-uyumludur. LM317, çıkışı iki dirençle ayarlanan klasik ayarlanabilir regülatördür ve TO-220 ile SO-8 paketlerinde aynı pin dizilimiyle üreticiler arasında standartlaştırılmıştır. LM1117 ve AMS1117, birkaç yüz milivoltluk bir pay (headroom) ile regülasyon yapan 3.3 ve 5 voltluk düşük düşümlü parçalar olan LDO ailesidir ve piyasanın üreticiler genelinde yeniden ürettiği bir pin dizilimini paylaşırlar. Bu aileler, seçimin yapıldığı katalogdur ve üreticiler arasındaki pin uyumluluğu, seçilen bir parçanın aynı zamanda değiştirilebilir bir parça olmasının nedenidir.

Değiştirme açısını açıkça belirtmekte fayda vardır, çünkü bir lineer regülatör seçimi aynı zamanda tedarik edilecek ve sonunda ikame edilecek bir parçanın seçimidir. 78xx ailesinin pin uyumluluğu, LM7805 etrafında tasarlanmış bir kartın, aynı footprint ve aynı test üzerinde bir L7805, KA7805 veya yerli bir 7805 ile beslenebileceği anlamına gelir; bu, bu sitenin kataloğunun sunduğu pin-uyumlu değişimin klasik örneğidir. AMS1117 ve LM1117 LDO pin dizilimini paylaşır, LM317 ailesi ise ayarlanabilir pin dizilimini paylaşır, böylece her ailenin seçimi o ailenin ikame pazarını açar. Kılavuzun seçim yöntemi bu nedenle tedariğin başladığı yerde biter: seçilen aile, pin uyumluluğu ve değiştirme seçenekleri. Bu, lineer regülatörün katalogda hem seçilmesi hem de değiştirilmesi en kolay parçalardan biri olmasının sebebidir. Aileler kelime dağarcığı, pin uyumluluğu ise dil bilgisidir; seçim ve değiştirme aynı dili konuşur.

Bir 78xx veya LDO regülatörü güvenle nasıl ikame edilir

Bir 78xx veya LDO regülatörünü güvenle ikame etmek, aileye uygulanan pin-uyumlu yöntemdir. İlk olarak paketi ve pin dizilimini onaylayın; TO-220, SO-8 ve SOT-223 varyantları farklı footprint'lerdir ve pin ataması karta uygun olmalıdır. İkinci olarak çıkış voltajını ve akımı onaylayın; 7805 ikamesi, yük için derecelendirilmiş 5 voltluk bir parça olmalı ve LDO ikamesi, hattın ihtiyaç duyduğu çıkış ve dropout değerine uymalıdır. Üçüncü olarak dropout ve termal değerleri onaylayın, çünkü bir LDO hattı için standart bir lineer ikame, LDO'nun dar payı (headroom) ile regülasyon yapamaz ve daha kötü termal pakete sahip bir parça, hattın çektiği akımda aşırı ısınır. Dördüncü olarak giriş aralığını ve korumayı, mutlak maksimum ve ters korumanın kartın koşullarıyla eşleştiğini onaylayın. Ve ikameyi kart üzerinde, çıkış doğruluğu, yük adımı (load step) ve sıcaklık genelindeki termal değerler açısından test edin ve karşılaştırmayı kaydedin. İkame işlemi, aile üzerinde yürütülen seçim yöntemidir ve bu disiplin, pin-uyumlu bir yedeğin sorunsuz çalışmasını sağlar; bu, bu sitenin kataloğunun gönderdiği her parça için uyguladığı standarttır.

Gürültü, PSRR ve Hassas Uygulamalar

Lineer regülatörün düşük gürültüsü, anahtarlamalı regülatöre göre ana avantajıdır; hassas ve analog uygulamalar, bu avantajın seçimi belirlediği yerlerdir. Bir lineer regülatörün çıkış gürültüsü, spektral yoğunluk ve toplam entegre gürültü olarak belirtilir; besleme gürültüsünün sinyale karıştığı analog ön uçlar, ses yolları, sensör rayları ve referans rayları için önem taşır. Güç kaynağı bastırma oranı, yani PSRR, regülatörün girişindeki gürültüyü ve dalgalanmayı ne kadar iyi zayıflattığını ifade eder; gürültülü bir kaynaktan, bir anahtarlamalı raydan veya bir şebeke adaptöründen türetilen raylar için kritik öneme sahiptir. Hassas uygulamalar düşük gürültülü ve yüksek PSRR değerine sahip parçaları seçer ve bu seçim, veri sayfasındaki tek bir rakam yerine gürültü ve PSRR eğrilerinin sinyal gereksinimlerine göre okunmasıyla yapılır. Gürültü ve PSRR, manşet voltaj ve akım değerlerinin yakalayamadığı özelliklerdir ve aynı çıkışa sahip iki rayın farklı parçalar seçmesinin nedenidir.

Gürültü ve PSRR ayrıca seçimi kartın geri kalanına bağlar, çünkü bir rayın temizliği bir parça özelliğinden ziyade bir sistem özelliğidir. Giriş kapasitörü ve çıkış kapasitörü gürültüyü ve kararlılığı şekillendirir, yükün baypas edilmesi önemlidir ve toprak yerleşimi gürültüyü birleştirir veya izole eder. Bu nedenle seçim, düşük gürültülü parçayı uygulamanın ihtiyaç duyduğu dekuplaj ve yerleşim ile eşleştirir; veri sayfasının uygulama bölümü, kapasitör değerleri ve yerleşim için kılavuzdur. Hassas ray bir sistemdir ve seçim, sistemin tamamı değil, sistemin ilk elemanıdır. Gürültü ve PSRR, lineer regülatörün var olma sebebidir ve bunlara ihtiyaç duyan uygulama, anahtarlamalı aile yerine lineer ailenin hizmet etmek üzere seçildiği uygulamadır.

Bir lineer regülatörün PSRR eğrisi nasıl okunur

PSRR eğrisini okumak, regülatörün giriş gürültüsünü frekans boyunca nasıl reddettiğini okumaktır ve hassas tasarımın gerçekte kullandığı rakam budur. PSRR, frekansa karşı desibel cinsinden reddetme olarak grafiklendirilir; düşük frekanslarda onlarca desibel ile yüksektir ve frekans arttıkça, regülatörün kontrol döngüsü ve dahili kompanzasyonu tarafından şekillendirilen eğri ile düşer. Tasarım, PSRR'yi giriş gürültüsünün bulunduğu frekanslarda —önceki rayın anahtarlama frekansı, şebeke ve harmonikleri ve geniş bant gürültüsü— okur ve bu frekanslardaki reddetmeyi sinyalin toleransı ile karşılaştırır. Düşük frekanslı PSRR'si yüksek ancak yüksek frekans eğrisi sarkan bir regülatör, 100 hertz dalgalanmayı iyi, megahertz anahtarlama dalgalanmasını ise zayıf reddeder; tasarım bunu, zayıf reddettiği frekansları kapsayan filtreleme ile eşleştirir. PSRR eğrisi, hassas seçimin aracıdır ve düşük gürültülü rayın manşet rakam yerine eğriye göre seçilmesinin nedenidir.

Anahtarlamalı Regülatör Ne Zaman Doğru Seçimdir

Lineer ve LDO regülatörlerin sınırları vardır ve anahtarlamalı regülatör (switching regulator), bu sınırların zorlandığı yerlerde doğru seçimdir. Akım yüksek olduğunda, giriş-çıkış farkı büyük olduğunda veya verimlilik ve ısı gürültüden daha önemli olduğunda anahtarlamalı regülatörü seçin; çünkü lineer ailesi fazlalığı hiçbir paketin atamayacağı bir ısı olarak yayarken, anahtarlamalı aile bunu yüzde 80 ila 95 verimlilikle çıkışa dönüştürür. Lineer kaybın felaket olacağı durumlarda, yani hattın 24 volt veya 48 volt gibi yüksek bir veri yolundan düşük bir lojik hatta düşürülmesi gerektiğinde anahtarlamalı regülatörü seçin. Kartın termal bütçesi zaten tükenmişse ve pil ömrü sakin akımdan ziyade dönüşüm verimliliğine bağlıysa anahtarlamalı regülatörü seçin. Anahtarlamalı regülatör, verimliliğinin bedelini gürültü, ripple, EMI, maliyet ve layout özeni ile öder; verimliliğe ihtiyaç duyan tasarım bu maliyeti kabul eder. Lineer ve anahtarlamalı aileler arasındaki seçim, temiz ve basit hat ile verimli hat arasındaki seçimdir ve uygulamanın hangisini karşılayabileceğine rakamlar karar verir.

Anahtarlamalı seçimi aynı zamanda hibrit tasarımlara da saygı duyar, çünkü iki aile birbirini dışlamak yerine birlikte çalışır. Yüksek veri yolunu ara bir hatta düşürmek için anahtarlamalı regülatör kullanan ve analog ile hassas yükler için bu hattı temizlemek amacıyla bir lineer veya LDO kullanan bir kart, aynı tasarımda anahtarlamanın verimliliğini ve lineerin gürültü performansını elde eder; bu kaskad (cascade) yapısı elektronikteki en yaygın güç mimarilerinden biridir. Kaskad yapısı, anahtarlama ripple değerini lineer regülatörün PSRR değerinde okur ve bastırma özelliği anahtarlamanın frekansını kapsayan lineer veya LDO'yu seçer. Bu nedenle seçim yöntemi, hat başına aileyi, yüksek güç adımı için anahtarlamalıyı ve temiz hat için lineeri seçer; kaskad ise iki ailenin birlikte oluşturduğu sistemdir. Lineer regülatör seçim kılavuzu güç tasarımının yarısıdır, anahtarlamalı seçimi ise diğer yarısıdır ve bu iki yarı kaskad yapısında buluşur.

Uygulamalı Örnek: Endüstriyel Kontrol Kartı İçin Bir Ray Seçimi

Endüstriyel bir kontrol kartı için ray seçimi, gerçek bir tasarım üzerindeki tüm seçim sürecini gösteren uygulamalı bir örnektir; 24 voltluk endüstriyel bir kaynaktan beslenen ve bir 5 voltluk lojik rayı ile analog bölüm için temiz bir 3.3 voltluk raya ihtiyaç duyan bir kart bu vakayı oluşturur. İlk ray olan 5 voltluk lojik, 24 voltluk veri yolundan bir anahtarlamalı regülatör aracılığıyla sağlanır; çünkü lojik akımındaki 19 voltluk düşüş, hiçbir lineer paketin atamayacağı wattlarca ısı yayacaktır ve anahtarlamalı regülatör, 24 voltu yüzde 80 sınıfı verimlilikle 5 voltluk bir ara raya düşürür. İkinci ray olan 3.3 voltluk temiz ray, 5 voltluk ara raydan bir LDO aracılığıyla sağlanır; çünkü analog akımdaki 1.7 voltluk düşüş, LDO'nun atabileceği düşük bir güçtür ve LDO'nun düşük voltaj farkı (low dropout) ile düşük gürültüsü, analog bölüme anahtarlamalı rayın sağlayamayacağı temiz beslemeyi sunar. Seçim süreci, her ray için uygun aileyi belirler: yüksek düşüş ve yüksek akım adımı için anahtarlamalı regülatör, temiz ve düşük düşüşlü adım için LDO; bu kaskat yapı, anahtarlamalı bölümün tanımladığı mimaridir. Uygulamalı örnek, seçimi her bir ray bazında verilen bir karar olarak gösterir ve bu, iş akışının resmileştirdiği karardır.

Uygulamalı örnek ayrıca endüstriyel kartın eklediği kontrolleri de kapsar, çünkü endüstriyel ortam seçimin ağırlıklarını değiştirir. 24 voltluk veri yolunun geçici rejimleri (transients) ve ters polarite koşulları; giriş korumasını, giriş kapasitörünü ve veri sayfasının (datasheet) önerdiği TVS'yi belirler. Endüstriyel ortam sıcaklığı ise termal hesaplamanın masa başı değerler yerine en kötü durum senaryosuna göre yapılmasını gerektirir. Analog bölümün hassasiyeti LDO'nun gürültü ve PSRR değerlerini, dijital bölümün rayı ise tolerans ve yük değerlerini belirler. Endüstriyel kart, seçimin gerçek ağırlıklarının bir modelidir; bu model, iş akışı ve bir sonraki bölümün kontrol listesi ile bir prosedüre dönüştürülür ki bu da lineer regülatör seçim kılavuzunun pratik tamamlanışıdır.

Lineer Voltaj Regülatörü Seçimi İçin Bir İş Akışı

Tam seçim yöntemi, bir mühendisin aynı sırayla yürüttüğü bir iş akışına sığar. İlk olarak, hattın gereksinimlerini, çıkış voltajını, en kötü durum akımını, giriş aralığını ve düşüşünü, toleransı, gürültüyü ve termal bütçeyi belirleyin. İkinci olarak, aileyi seçin; düşük akımlı, düşük düşüşlü ve gürültüye duyarlı hat için lineer, dar paylı hat için LDO ve yüksek akımlı ile büyük düşüşlü hat için anahtarlamalı olanı seçin ve seçimi kaydedin. Üçüncü olarak, hattın gereksinimlerine karşı dropout, sükunet akımı (quiescent current), regülasyon, gürültü, PSRR ve koruma özelliklerini okuyun. Dördüncü olarak, termal durumu, en kötü durumdaki yayılan gücü, jonksiyon sıcaklığını ve bunu tahliye eden kılıfı hesaplayın; kılıfı ve soğutucuyu seçin. Beşinci olarak, aileden parçayı, sabit veya ayarlanabilir olanı, kılıfı ve tedarikçiyi seçin; pin uyumluluğunu ve tedarik için ikame seçeneklerini onaylayın. Altıncı olarak, kart üzerinde çıkış doğruluğunu, yük adımını, transiyenti, gürültüyü ve sıcaklık boyunca termal durumu doğrulayın ve ölçümleri kaydedin. Bu dizi, lineer voltaj regülatörü seçim yöntemidir ve hat ister 3.3 voltluk bir lojik hattı ister 5 voltluk bir analog hat olsun yöntem aynıdır.

İş akışı, bir voltaj hattının alışkanlıktan ziyade kanıtlara dayanarak seçilmesinin nedenidir. Gereksinimler belirlendiğinde hat tanımlanmış olur. Aile seçildiğinde, ödünleşim açıkça ortaya çıkar. Spesifikasyonlar okunduğunda, parça tasarıma uygun hale gelir. Termal hesaplamalar yapıldığında ve parça doğrulandığında, hat ürünün ömrü boyunca hayatta kalır. Yöntemin tüm değeri, kart üzerindeki en basit güç parçası olan lineer regülatörün, en karmaşık olanla aynı özenle seçilmesidir; çünkü basit parçanın ısısı, dropout değeri ve gürültüsü hattın güvenilirliğini taşır ve seçimin disiplini kartın çalışmaya devam etmesini sağlayan şeydir. Bu iş akışını yürüten bir mühendis; bir aile seçimi, bir spesifikasyon okuması ve bir termal hesaplama ile bir lineer voltaj regülatörü seçer ki bu da iyi yapılmış bir lineer voltaj regülatörü seçiminin tüm amacıdır.