Перейти к содержанию

Как выбрать LDO-стабилизатор

LDO выбирают по пяти параметрам: максимальное входное напряжение, ток нагрузки, падение напряжения при этом токе, ток покоя и рассеиваемая мощность в выбранном корпусе. Ниже — сравнение четырёх распространённых стабилизаторов ST и разбор трёх типичных задач: 3,3 В от USB, от литиевого аккумулятора и 5 В от 12 В.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

LDO-стабилизатор — самый простой способ получить стабильное напряжение для микроконтроллера и датчиков: три вывода, два конденсатора. Сложность в выборе: у стабилизаторов в одинаковых корпусах падение напряжения различается в несколько раз, ток покоя — в тысячи, и неудачный выбор приводит к перегреву, «просадке» выхода или быстрому разряду батареи. Как работает LDO и что означают его параметры — в статье «LDO и линейные стабилизаторы».

Коротко

Схема включения

Типовое включение LDO-стабилизатораВход стабилизатора соединён с источником питания, между входом и общим проводом стоит конденсатор Cвх. Выход через конденсатор Cвых соединён с общим проводом и питает нагрузку. Вывод общего провода стабилизатора соединён с общим проводом схемы. Конденсаторы ставят как можно ближе к выводам.UвхCвх1 мкФLDOIN · GND · OUTCвых4,7 мкФUвыхёмкости и тип конденсаторов — по даташиту конкретного стабилизатора

Стабилизатору с фиксированным выходом нужны только два конденсатора. Их ёмкость и тип — не мелочь: выходной конденсатор входит в цепь обратной связи. Номиналы на схеме — рекомендации ST для LDL1117 (DS12022, разд. 6.2): от 1 мкФ на входе и керамика X5R или X7R 4,7 мкФ на выходе.

Четыре стабилизатора для сравнения

ПараметрL7805ALD1117#33LDL1117STLQ015
Выход5 В3,3 В1,185–5,0 В, 7 исполнений (SOT-223)1,2–3,3 В, 10 исполнений (SOT23-5L)
Ток нагрузкидо 1 А (по таблице характеристик)от 800 мАдо 1,2 Адо 150 мА
Вход, не больше35 В15 В18 В5,5 В
Падение2 В тип. при 1 Адо 1,15 В при 500 мА, 1,2 В при 800 мАдо 0,6 В при 1,2 Адо 0,3 В при 150 мА
Ток покоядо 6 мАдо 10 мАдо 0,5 мА1 мкА тип.
RθJA50 °C/Вт (TO-220)110 °C/Вт (SOT-223), 50 (TO-220)120 °C/Вт (SOT-223)—

Данные — из таблиц характеристик ST: DS0422 (L78), DocID2572 (LD1117), DS12022 (LDL1117), DS6765 (STLQ015). Выбор начинается с двух строк: падение при вашем токе и ток покоя.

Задача 1: 3,3 В от USB

USB 2.0 требует от порта 4,75–5,25 В, но на конце кабеля устройство должно работать уже от 4,40 В, а по USB 3.2 — от 4,00 В (подробно — в статье USB). Нагрузка — 500 мА.

  • LD1117#33: при 500 мА падение до 1,15 В, то есть нужно не меньше 4,45 В на входе. При 4,4 В стабилизатор уже не держит 3,3 В — выход опустится примерно на 50 мВ, и это ещё без запаса на провода и разъём.
  • LDL1117: падение до 0,6 В даже при 1,2 А — 3,3 В держатся при входе от 3,9 В, запас есть и для USB 3.2.
  • Нагрев в обоих случаях одинаковый — его задаёт разница напряжений: P = (5,25 − 3,3) · 0,5 = 0,98 Вт при максимальном напряжении порта. В SOT-223 с 120 °C/Вт (LDL1117) — 117 °C над воздухом: такой ток в SOT-223 требует большой медной площадки и проверки по даташиту, а для стабильной работы лучше уменьшить ток или перейти на импульсный преобразователь.

Задача 2: 3,3 В от аккумулятора

Устройство большую часть времени спит и потребляет десятки микроампер; в пике — до 100 мА. Для такой нагрузки ток покоя важнее всего:

  • LD1117#33: 5 мА покоя (до 10 мА) — в сотни раз больше, чем потребляет спящий микроконтроллер. Время работы будет определять стабилизатор, а не схема.
  • STLQ015: около 1 мкА покоя, падение до 300 мВ при 150 мА, вход 1,5–5,5 В. Выход 3,3 В держится, пока аккумулятор выше 3,6 В; ниже выход повторяет вход за вычетом падения — проверьте, что микроконтроллер и датчики работают от такого напряжения.

Посчитать время работы от батареи с учётом тока покоя поможет калькулятор срока службы батареи.

Задача 3: 5 В от 12 В

L7805A при токе 1 А рассеивает (12 − 5) · 1 + 12 · 0,006 ≈ 7,1 Вт. Без радиатора в TO-220 (50 °C/Вт) это 355 °C над воздухом — недопустимо. С радиатором: допустимое суммарное тепловое сопротивление при 40 °C внутри корпуса прибора и кристалле до 125 °C — (125 − 40)/7,1 ≈ 12 °C/Вт, из них 5 °C/Вт — кристалл — корпус (DS0422, табл. 2), остальное — прокладка и радиатор. Посчитайте свой вариант:

Исходные данные

Вт

для стабилизатора — (Uвх − Uвых) · I, для ключа — I² · Rds(on)

°C

внутри корпуса прибора

°C

из даташита, с запасом 10–20 °C

°C/Вт

из даташита прибора

°C/Вт

термопаста или прокладка

°C/Вт

из даташита; у TO-220 обычно около 60–65 °C/Вт

Результат

Тепловое сопротивление радиатора
не больше 22,8 °C/Вт
Кристалл без радиатора
235 °C
Предел без радиатора
1,31 Вт
Предел с идеальным радиатором
15,5 ВтθSA = 0: ограничивают θJC и θCS

При токах от сотен миллиампер и большой разнице напряжений импульсный понижающий преобразователь рассеивает в разы меньше.

Порядок выбора

  1. Входное напряжение: максимальное — не выше предела стабилизатора (у STLQ015 всего 5,5 В), минимальное — выше Uвых + падение при максимальном токе.
  2. Ток: номинальный ток стабилизатора — с запасом над пиковым током нагрузки.
  3. Мощность: P = (Uвх max − Uвых) · I + Uвх · Iпокоя, затем Tj = Ta + P · RθJA — до предела температуры кристалла с запасом. RθJA из даташита относится к определённой плате; на маленькой площадке оно больше.
  4. Ток покоя — для батарейных устройств.
  5. Шум и подавление пульсаций — для АЦП, опорных напряжений, радиочастотных узлов и для LDO после импульсного преобразователя (SVR на его частоте).
  6. Конденсаторы — ёмкость, тип и ESR из даташита.

Типичные ошибки

  • Выбор по току, а не по падению. LD1117 на 800 мА при питании от 4,4 В не держит 3,3 В уже при 100 мА: ему нужно до 1,1 В сверх выхода.
  • Перегрев в маленьком корпусе. SOT-223 с тепловым сопротивлением 110–120 °C/Вт выдерживает около 1 Вт только при хорошем теплоотводе через медь платы.
  • Стабилизатор «ест» батарею. Ток покоя LD1117 и L7805 — миллиамперы.
  • Не те конденсаторы. Танталовый или электролитический на выходе стабилизатора, рассчитанного на керамику, и наоборот, могут вывести его из области устойчивости.
  • Превышено входное напряжение. STLQ015 рассчитан на 5,5 В — от 12 В его не питают.

Частые вопросы

Какой стабилизатор поставить для 3,3 В от 5 В?

Посчитайте разницу при минимальном входном напряжении. От USB на входе устройства может оказаться 4,4 В (USB 2.0), а при максимальном токе LD1117#33 нужно до 1,15–1,2 В сверх выхода — на грани. LDL1117 с падением до 0,6 В при 1,2 А держит 3,3 В при входе от 3,9 В. Мощность при 500 мА — около 0,85 Вт, корпус SOT-223 нужно хорошо охлаждать медью платы.

Какой LDO нужен для питания от литиевого аккумулятора?

С малым током покоя и малым падением: например, STLQ015 — ток покоя около 1 мкА, падение до 300 мВ при 150 мА, вход до 5,5 В. Он держит 3,3 В, пока напряжение аккумулятора выше 3,6 В; ниже выход повторяет вход за вычетом падения. LD1117 с током покоя 5 мА для батарейного устройства не подходит.

Можно ли получить 5 В от 12 В на LDO?

Можно, но вся разница уходит в тепло: при 1 А на L7805 рассеивается 7 Вт. В корпусе TO-220 без радиатора (50 °C/Вт) это недопустимо — нужен радиатор с тепловым сопротивлением в единицы °C/Вт. При токах от сотен миллиампер и большой разнице напряжений выгоднее импульсный понижающий преобразователь.

Зачем стабилизатору конденсаторы на входе и выходе?

Выходной конденсатор обеспечивает устойчивость обратной связи и подхватывает скачки нагрузки, входной — снижает сопротивление источника на высоких частотах. Ёмкость и тип берут из даташита: LDL1117 — от 1 мкФ на входе и керамика X5R/X7R 4,7 мкФ на выходе. Конденсаторы ставят вплотную к выводам.

Источники

  1. STMicroelectronics. L78: Positive voltage regulator ICs (DS0422 Rev 38) — табл. 1–3: входное напряжение, тепловые сопротивления, ток покоя, падение L7805A
  2. STMicroelectronics. LD1117 (DocID2572 Rev 38) — табл. 1, 2, 6: входное напряжение, тепловые сопротивления, характеристики LD1117#33
  3. STMicroelectronics. LDL1117 (DS12022 Rev 7) — табл. 2–4, разд. 6: входное напряжение, падение, ток покоя, тепловые сопротивления, конденсаторы
  4. STMicroelectronics. STLQ015 (DS6765 Rev 7) — табл. 4: входное напряжение, падение, ток покоя, ток короткого замыкания
  5. Universal Serial Bus Specification Revision 2.0 и USB 3.2 Specification — напряжение VBUS на порту и на входе устройства (см. статью «USB» на сайте)

Нашли ошибку?

Смотрите также