Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Computer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Podstawy LDO - jak uniknąć przepływu prądu w stronę zaporową

ghost666 20 Maj 2019 13:55 1593 5
  • W przypadku większości stabilizatorów liniowych LDO prąd płynie przez nie tylko w jedną stronę. Jeśli popłynie w drugą, to może być przyczyną poważnych problemów. Normalny kierunek przepływu prądu w takim układzie to od VIN do VOUT układu. Może się jednak zdarzyć, iż popłynie on odwrotnie. W większości przypadków płynie wtedy przez diodę wbudowaną w tranzystor wykonawczy (wyjściowy) stabilizatora. Nie jest to jednak sytuacja pożądana, gdyż może w dalszej perspektywie spowodować problemy z działaniem układu, a nawet uszkodzenie stabilizatora.

    Jak pokazano na rysunku 1, poniżej, LDO składa się z trzech zasadniczych części: źródła napięcia odniesienia, wzmacniacza błędu oraz tranzystora mocy – w większości przypadków tranzystora polowego (MOSFET). W czasie normalnej pracy, przez tranzystor ten, płynie cały prąd wyjściowy układu, jak przez zwykłego FETa – od źródła do drenu.

    Domieszkowany, objętościowy region krzemu, gdzie tworzony jest w strukturze ten tranzystor, nazywamy w uproszczeniu jego substratem. Jest on zazwyczaj połączony elektrycznie ze źródłem, co redukuje poziom zmian napięcia progowego na bramce tego tranzystora.

    Podstawy LDO - jak uniknąć przepływu prądu w stronę zaporową
    Rys.1. Bloki funkcjonalne stabilizatora LDO.


    Jedną z wad łączenia elektrycznego źródła z substratem, jest tworzenie się pasożytniczej diody w strukturze tranzystora FET, jak pokazano to na rysunku 2. Dioda ta nazywana jest diodą wbudowaną w tranzystor MOSFET. W takiej konfiguracji, jak pokazano, dioda przewodzi prąd w momencie, gdy napięcie na wyjściu stabilizatora jest większe niż napięcie wejściowe plus spadek napięcia na tej diodzie (VFB). Przepływ prądu przez tą diodę spowodować może uszkodzenie układu poprzez nadmierne jego nagrzanie, elektromigrację i inne zjawiska.

    Podstawy LDO - jak uniknąć przepływu prądu w stronę zaporową
    Rys.2. Schematyczny przekrój przez tranzystor MOSFET z kanałem typu P.


    Projektując scalony stabilizator LDO, koniecznie trzeba wziąć pod uwagę ryzyko wystąpienia odwrotnego przepływu prądu w układzie i co za tym idzie - aktywnie przeciwdziałać uszkodzeniu układu w takiej sytuacji. Istnieją dwa sposoby, na jakie można przeciwdziałać temu zjawisku na poziomie aplikacji LDO w układzie elektronicznym i dwa, które stosuje się na etapie projektowania samego układu scalonego. Wszystkie cztery sposoby omawiamy w treści poniżej.

    Podstawy LDO - jak uniknąć przepływu prądu w stronę zaporową
    Wykorzystaj diodę Schottkiego

    Jak pokazano na schemacie po lewej stronie, jeśli podłączymy diodę Schottkiego pomiędzy OUT a IN stabilizatora LDO tak, żeby była spolaryzowana w kierunku zaporowym przy normalnych napięciach, to to przez nią popłynie prąd w momencie, gdy na wyjściu układu pojawi się napięcie wyższe niż na jego wejściu, zamiast przez diodę wbudowaną tranzystora wyjściowego z układu.

    W aplikacji takiej koniecznie zastosować musimy diodę Schottkiego, a nie zwykłą diodę prostowniczą, ponieważ dioda taka ma znacznie mniejszy spadek napięcia na złączu. Dzięki temu gwarantujemy sobie, że prąd będzie płynął tamtędy, niezależnie od różnicy napięć VOUT a VIN.

    W czasie normalnej pracy dioda spolaryzowana jest zaporowo i prąd, jaki może przez nią płynąć, jest pomijalnie mały, dlatego też dioda nie ma wpływu na działanie układu. Inną zaletą tego podejścia jest fakt, iż w ten sposób nie zwiększymy spadku napięcia na stabilizatorze.

    Podstawy LDO - jak uniknąć przepływu prądu w stronę zaporową
    Zastosuj diodę przed wejściem LDO

    Inną metodą, jak pokazano na drugim schemacie po lewej stronie, jest wstawienie diody przed stabilizatorem, co skutecznie uniemożliwi przepływ prądu w stronę odwrotną od zamierzonej. Niestety w ten sposób zwiększamy spadek napięcia na sekcji stabilizacji napięcia.

    W momencie, gdy VOUT>VIN, dioda wstawiona przed układ zostanie spolaryzowana zaporowo, dzięki czemu prąd przez nią nie popłynie. Jest to, w swojej ogólności, metoda bardzo podobna do kolejnej.

    Podstawy LDO - jak uniknąć przepływu prądu w stronę zaporową
    Wykorzystaj w układzie dwa tranzystory FET

    Na schemacie po prawej stronie zaprezentowano metodę zapobiegania odwrotnemu przepływowi napięcia przez stabilizator napięcia. Tego rodzaju kroki podejmuje się na etapie projektowania układu scalonego. Tego rodzaju architektura wymaga dwóch tranzystorów polowych, połączonych ze sobą źródłami, na wyjściu stabilizatora LDO.

    Diody wbudowane w tych tranzystorach połączone są ze sobą tak, że zawsze jedna z nich znajduje się w kierunku zaporowym. Gdy napięcie na wyjściu przekroczy to na wejściu stabilizatora, to tranzystory wyłączają się, a połączone szeregowo, w przeciwnych kierunkach, diody wbudowane uniemożliwiają płynięcie prądu.

    Jedną z wad wykorzystania tego rodzaju architektury w układzie jest zwiększenie minimalnego spadku napięcia na stabilizatorze. Zasadniczo dubluje się on, z uwagi na fakt, że teraz prąd płynąć musi przez dwa, a nie przez jeden tranzystor. Aby przeciwdziałać temu zjawisku, w stabilizatorach o tego rodzaju architekturze, konstruuje się większe tranzystory MOSFET o niższej rezystancji. Niestety zwiększa to koszt i rozmiar układu.

    Podstawy LDO - jak uniknąć przepływu prądu w stronę zaporową
    Połącz substrat tranzystora MOSFET z masą układu

    Ostatnia z metod prezentowanych tutaj, jest niezwykle skuteczna, aczkolwiek najrzadziej stosowana. Jak pokazano na schemacie po lewej stronie, polega ona na podłączeniu podłoża tranzystora MOSFET w układzie stabilizatora do masy. W ten sposób eliminuje się połączenie go ze źródłem, co efektywnie eliminuje diodę wbudowaną z danego tranzystora.

    Jedną z istotnych zalet tego podejścia jest fakt, iż w tego rodzaju stabilizatorach LDO nie zwiększa się minimalny spadek napięcia, jaki występować musi na LDO, by układ poprawnie funkcjonował.

    Podsumowanie

    Jeśli w układzie potrzebne jest zabezpieczenie LDO przed uszkodzeniem w wyniku przepływu prądu w odwrotną stronę, najlepiej jest wybrać układ, który zaprojektowany został już do pracy w tego rodzaju aplikacji. Jeżeli jednak tego rodzaju scalony stabilizator liniowy nie odpowiada swoimi parametrami naszej aplikacji, konieczne jest zastosowanie jednej z pozostałych dwóch opisanych w artykule metod na zabezpieczenie LDO przed uszkodzeniem.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/07/25/ldo-basics-preventing-reverse-current-in-ldos

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Computer Controls
  • #2
    Kraniec_Internetów
    Poziom 42  
    ghost666 napisał:
    Wykorzystaj w układzie dwa tranzystory FET

    Zastanawiam się jak to działa. Prawda, bez włączonych tranzystorów prąd nie popłynie przez diody. Ale jeżeli włączymy tranzystor po lewej, to w tranzystorze po prawej prąd będzie i tak płynął przez diodę, bo nie może płynąć przez tranzystor w tę stronę. Czym więc ta metoda różni się od zastosowania zwykłej diody?
  • Computer Controls
  • #3
    tmf
    Moderator Mikrokontrolery Projektowanie
    Kraniec_Internetów napisał:
    Czym więc ta metoda różni się od zastosowania zwykłej diody?

    Teoretycznie mniejszymi stratami, bo masz oba tranzystory włączone i ich diody nie przewodzą, a rezystancja źródło-dren może mieć wartość miliomów.
    ghost666 napisał:
    Jedną z wad łączenia elektrycznego źródła z substratem, jest tworzenie się pasożytniczej diody w strukturze tranzystora FET, jak pokazano to na rysunku 2. Dioda ta nazywana jest diodą wbudowaną w tranzystor MOSFET. W takiej konfiguracji, jak pokazano, dioda przewodzi prąd w momencie, gdy napięcie na wyjściu stabilizatora jest większe niż napięcie wejściowe plus spadek napięcia na tej diodzie (VFB). Przepływ prądu przez tą diodę spowodować może uszkodzenie układu poprzez nadmierne jego nagrzanie, elektromigrację i inne zjawiska.

    Brzmi groźnie, ale przecież od lat wykorzystuje się tą pasożytniczą diodę w MOSFETach i wszystko jest ok. Ona ma całkiem niezłe parametry. Właściwie jedynym powodem dla którego stosuje się diody zewnętrzne jest rozproszenie mocy na dwie oddzielne struktury, co ogranicza ilość wydzielanego ciepła na MOSFEcie.
    IMHO jeśli regulator ma budowę jaką pokazałeś, to nic nie trzeba robić. Problem był z regulatorami, w których nie ma zaporowo spolaryzowanej diody na strukturze. Wtedy trzeba dodać zewnętrzną.
  • #4
    Kraniec_Internetów
    Poziom 42  
    tmf napisał:
    Teoretycznie mniejszymi stratami, bo masz oba tranzystory włączone i ich diody nie przewodzą, a rezystancja źródło-dren może mieć wartość miliomów.

    No ale jak, przecież na schemacie masz 2 takie same tranzystory zamontowane przeciwsobnie, więc nie tylko zawsze jedna diioda będzie włączona "odwrotnie do przepływu prądu" ale tranzystor również.
    tmf napisał:
    Brzmi groźnie, ale przecież od lat wykorzystuje się tą pasożytniczą diodę w MOSFETach i wszystko jest ok. Ona ma całkiem niezłe parametry.

    No właśnie niebardzo. Bardzo długo się zamykają co przy pracy przetwornicy na częstotliwości 100kHz i więcej może powodować wydzielanie dużych ilości ciepła właśnie na tej diodzie.
    tmf napisał:
    Właściwie jedynym powodem dla którego stosuje się diody zewnętrzne jest rozproszenie mocy na dwie oddzielne struktury, co ogranicza ilość wydzielanego ciepła na MOSFEcie.

    Nie zawsze. Zauważ że stosuje się je też czasem w układach, w których tranzystory przełączają się "miękko" a więc moc na nich wydziela się prawie żadna.

    Dodano po 6 [minuty]:

    @tmf szybkie pytanie na temat przetwornicy - w urządzeniu które buduję mam przetwornicę 3.7V na 5.5V. Zbudowana wg aplikacji z datasheetu układu AP1609. Niestety nie pracuje, bo na wyjściu ma wypełnienie 100% (dosłownie tranzystor prawie się nie włącza). Wylutowałem cewkę i tranzystor układu poprawnie zaczął mieć maksymalne wypełnienie wg noty czyli 80%. Zamiast cewki wlutowałem rezystor i ponownie wypełnienie wzrosło do 100%. Zamieniałem też diodę na superszybką ale nie dało to żadnego efektu. Myślisz że to padnięty kontroler? Pytam bo mocno mi się spieszy a siedzę nad tym i nie wiem co jeszcze sprawdzić. Wcześniej przetwornica przeżyła zwarcie, że aż dioda się zagotowała (dioda przeżyła ale wymieniłem), bo w projekcie mi się przelotka masy magicznie przesunęła na pad zasilania :P
  • #5
    tmf
    Moderator Mikrokontrolery Projektowanie
    Kraniec_Internetów napisał:
    tmf napisał:
    Teoretycznie mniejszymi stratami, bo masz oba tranzystory włączone i ich diody nie przewodzą, a rezystancja źródło-dren może mieć wartość miliomów.


    No ale jak, przecież na schemacie masz 2 takie same tranzystory zamontowane przeciwsobnie, więc nie tylko zawsze jedna diioda będzie włączona "odwrotnie do przepływu prądu" ale tranzystor również.

    Ale to jest MOSFET - w pewnych warunkach może przewodzić w obie strony. Klasyczne zastosowanie to układy cut off dla baterii. Tu mamy dodatkowo regulator LCD więc spadek kilkuset mV na diodzie może być nieakceptowalny, stąd takie rozwiązanie.
    Kraniec_Internetów napisał:
    tmf napisał:
    Brzmi groźnie, ale przecież od lat wykorzystuje się tą pasożytniczą diodę w MOSFETach i wszystko jest ok. Ona ma całkiem niezłe parametry.


    No właśnie niebardzo. Bardzo długo się zamykają co przy pracy przetwornicy na częstotliwości 100kHz i więcej może powodować wydzielanie dużych ilości ciepła właśnie na tej diodzie.

    To nie ma związku z tematem - artykuł jest o regulatorze liniowym.