Nguồn tuyến tính là gì ?

Audio Labs Nguồn Linear Lownoise

Nguồn tuyến tính là gì ?

Power Supply Unit – hay còn gọi là “nguồn” – là một trong những khối cơ bản và quan trọng nhất của mỗi mạch điện. Nguồn được thiết kế tốt sẽ là điều kiện tiên quyết để mạch có thể làm việc ổn định, đặc biệt là đối với những mạch cần độ chính xác cao về điện áp như vi xử lý (processor), RAM, mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ, ADC… Vì vậy hiểu rõ các thông số, đặc điểm của nguồn cũng như những điều cần tránh trong khi thiết kế sẽ giúp hạn chế những rủi ro cũng như số lần phải chỉnh sửa hoặc thiết kế lại mạch.

Có rất nhiều cách phân loại nguồn, nhưng nhìn chung gồm hai loại chính là nguồn xoay chiều (AC) và một chiều (DC). Hầu hết nguồn cấp cho các mạch điện tử là nguồn một chiều. Riêng trong nguồn một chiều cũng có thể được phân thành cách loại khác nhau như nguồn áp – loại nguồn có áp đầu ra là một hằng số, hay nguồn dòng – nguồn có dòng đầu ra là hằng số. Dựa trên sự phổ biến trong các mạch điện tử, loạt bài “Power Supply Basic” sẽ tập trung vào hai loại nguồn áp chính là nguồn tuyến tính (Linear Power Supply)nguồn xung (Switching Mode Power Supply) và trình bày những khái niệm sơ lược về nguồn dòng.

Nguồn tuyến tính và các phiên bản cải tiến của nó – Low Dropout Linear Regulator (thường được viết tắt là LDO) là các bộ nguồn đơn giản, cho phép tạo một điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào. So với các loại nguồn khác (ví dụ như nguồn xung), nguồn tuyến tính khá dễ thiết kế và sử dụng. Đối với các bạn sinh viên điện tử Việt Nam, trong những ngày đầu chập chững trên con đường tầm sư học đạo, hẳn ai cũng đã từng làm quen với LM7805 – một nguồn tuyến tính có thể được xếp vào loại cổ đại, mà ngày nay rất ít được áp dụng trong các sản phẩm thương mại. Nói như vậy để mọi người thấy được, nguồn tuyến tính cũng chẳng có gì xa lạ cả, có chăng chỉ là đôi khi chúng ta dùng mà không hiểu rõ mà thôi. Trong bài đầu tiên này mình sẽ trình bày nguyên lý hoạt động, các thông số cơ bản của nguồn tuyến tính, từ đó đưa ra các ưu nhược điểm và các ứng dụng phù hợp của chúng.

Nguyên lý hoạt động

Để hiểu một cách đơn giản nhất về nguyên lý hoạt động của nguồn tuyến tính, các bạn có thể xem qua hai clip sau:

Fundamentals of Power Electronics – Basic Linear Regulator Operation
Fundamentals of Power Electronics – Linear Regulator Operation Using a MOSFET

Trong video đầu tiên, cô giáo Katherine A. Kim đã đưa ra mô hình của một bộ chuyển đổi điện áp vô cùng đơn giản, dựa trên nguyên lý hoạt động của cặp điện trở phân áp. Theo đó điện áp VOUT có giá trị bằng điện áp rơi trên R2, được tính bằng công thức sau: 

V_{OUT}=\frac{R_2}{R_1+R_2}\times V_{IN}

Bằng cách thay đổi giá trị của biến trở R1, chúng ta có thể thay đổi được giá trị điện áp ở đầu ra. Tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm như sau: Khi điện áp đầu vào thay đổi, cần phải điều chỉnh R1 bằng tay để giữ nguyên giá trị điện áp VOUT. Vì vậy đây là một giải pháp phi thực tế.

Video thứ hai trình bày đơn giản hóa nguyên lý của hầu hết các nguồn tuyến tính hiện nay, bằng cách sử dụng MOSFET Q1 thay cho biến trở R1 (Hình 1B). Để hiểu được lý do của sự thay đổi này, chúng ta cần ôn lại một chút kiến thức cơ bản về MOSFET.

Hình 2. Đặc tuyến của một MOSFET kênh N [1]

Khi cấp một điện áp VGS vào cực Gate của MOSFET, sẽ có dòng điện IDS chạy trong MOSFET, đồng thời có một điện áp VDS rơi giữa hai cực Drain và Source. Ở vùng tuyến tính (Linear Region) trên đặc tuyến của MOSFET, chúng ta thấy khi IDS tăng thì VDS cũng tăng với tỷ lệ gần như không đổi. Đặc điểm này của vùng tuyến tính tương tự như đặc tính của một điện trở – khi dòng điện đi qua điện trở tăng thì điện áp rơi trên trở cũng tăng với hệ số nhân là giá trị của điện trở. Một đặc điểm khác của MOSFET đó là khi thay đổi điện áp VGS thì RDS cũng thay đổi. Như vậy có thể coi MOSFET khi làm việc ở vùng tuyến tính là một biến trở có thể thay đổi giá trị bằng cách thay đổi điện áp VGS cấp vào giữa hai cực Gate và Source. Khi mắc MOSFET với tải theo dạng phân áp, chúng ta sẽ tạo ra sự chuyển đổi từ điện áp cao xuống điện áp thấp.

Điều này có nghĩa là, nếu có một cơ chế điều khiển điện áp VGS một cách tự động, chúng ta có thể tạo ra một nguồn điện có điện áp ra ổn định, dù cho điều kiện hoạt động của tải có thay đổi. Đây chính là nguyên lý cơ bản của một bộ nguồn tuyến tính. Giờ thì bạn đã hiểu được vì sao nguồn tuyến tính lại được gọi là bằng cái tên “tuyến tính” rồi chứ?

Hình 3. Cấu trúc đơn giản hóa của một nguồn tuyến tính [2]

Hình 3 mô tả một cấu trúc tiêu biểu của các nguồn tuyến tính hiện đại. Theo đó, một nguồn tuyến tính thường bao gồm các thành phần cơ bản sau: Một thành phần cho dòng điện chạy qua và gây ra một điện áp rơi trên nó, gọi là “Pass Element”. Thành phần này thường là FET, MOSFET, hoặc BJT mắc theo kiểu Darlington hoạt động ở vùng tuyến tính. Như đã nói ở trên, tại vùng làm việc tuyến tính, nó có tính chất như một điện trở, cũng là thành phần gây ra sự giảm áp ở đầu ra so với đầu vào. Điện áp ở đầu ra sẽ được cảm nhận và so sánh với một giá trị điện áp tham chiếu (Reference Voltage – VREF) bởi bộ so sánh “Error Amplifier”. Đầu ra của bộ so sánh này sẽ là đầu vào của “Gate Drive” – bộ điều khiển điện áp trên cực Gate của Pass Element để bảo đảm điện áp tại đầu ra luôn ổn định. Cơ chế cảm nhận sự thay đổi ở đầu ra, sau đó đưa ra những thay đổi để ổn định lại thông số ở đầu ra này được gặp rất nhiều trong các mạch điện tử, được gọi là “feedback”.

Các khái niệm và thông số cơ bản

Các khái niệm dưới đây đa phần được lược dịch từ tài liệu
“Understanding the Terms and Definitions of LDO Voltage Regulators”
Tác giả Bang S. Lee – Texas Instruments

Dropout Voltage
Là điện áp chênh lệch giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra mà tại đó mạch không còn khả năng giữ ổn định điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào giảm tới mức tới hạn. Ví dụ, một LDO có điện áp đầu ra mong muốn là 3.3V 0.5A, điện áp đầu vào ban đầu là 5V. Thực hiện giảm từ từ điện áp đầu vào cho tới khi điện áp đầu ra bắt đầu giảm, giả sử điện áp đầu vào khi đó là 3.45V. Khi đó Dropout Voltage của LDO sẽ là 0.15V. Điện áp này gây ra bởi nội trở RDS(ON) của Pass Element dưới dòng đầu ra trên tải ILOAD. Chúng ta cũng có thể tính được giá trị RDS(ON) thông qua công thức sau: 

R_{DS_{ON}}=\frac{0.15V}{0.5A}=0.3Ω

Hay nói cách khác:

V_{DROPOUT}=I_{LOAD}\times R_{DS_{ON}}

Thêm một ví dụ, điện áp Dropout Voltage của TPS76733 là 350mV tại dòng 1A. Có nghĩa là nếu điện áp đầu vào giảm xuống dưới 3.65V thì điện áp ở đầu ra sẽ không còn giữ ở 3.3V nữa mà bắt đầu giảm. Nếu điện áp đầu vào tiếp tục giảm, đến một mức nào đó, nguồn sẽ không hoạt động, tức là không còn điện áp đầu ra.

Quiescent Current
Quiescent hay ground current (tạm dịch là dòng tĩnh) là sự chênh lệch giữa cường độ dòng điện tại đầu vào và đầu ra của LDO. Sự chênh lệch này đến từ sự tiêu hao năng lượng trên các phần tử bên trong nguồn. Có thể chia Quiescent Current thành hai nhóm chính.

  • Bias Current (dòng phân cực): Gây ra bởi Band-Grap Reference (bộ tạo điện áp tham chiếu bên trong LDO), sampling resistor (các điện trở lấy mẫu), Error Amplifier (bộ so sánh điện áp ở đầu ra với điện áp tham chiếu).
  • Dòng điều khiển cực gate của Pass Element.

Standby Current
Standby Current là dòng tiêu thụ bởi IC nguồn khi điện áp ra bị ngắt bởi tín hiệu điều khiển SHUTDOWN hoặc ENABLE. Các bộ tạo điện áp tham chiếu (VREF) và bộ so sánh Error Amplifier của LDO sẽ không hoạt động trong chế độ standby.

Hiệu suất
Hiệu suất của một nguồn LDO được giới hạn bởi dòng tĩnh (quiescent current) và các điện áp đầu vào / đầu ra theo công thức sau:

Efficiency=\frac{I_{LOAD}\times V_{OUT}}{(I_{LOAD}+I_Q)\times V_{IN}}

Để nguồn tuyến tính thu được hiệu suất cao, giá trị điện áp rơi (Drop Out Voltage) và dòng tĩnh (Quiescent Current) phải được giảm đến mức tối thiểu. Ngoài ra, chênh lệch giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra cũng phải có giá trị nhỏ, điều này giúp giảm công suất hao phí trên LDO. Ví dụ, nếu bạn cần một điện áp 3.3V ở đầu ra, bạn nên sử dụng một điện áp đầu vào là 5V thay vì điện áp 12V.
Thêm một ví dụ cụ thể hơn: Bộ nguồn TPS76933 của hãng Texas Instruments là một nguồn LDO có điện áp đầu ra là 3.3V. Giả sử điện áp đầu vào trong khoảng từ 3.6V tới 4.5V, dòng đầu ra từ 80mA tới 100mA, dòng tĩnh tối đa là 17μA. Khi đó hiệu suất của bộ nguồn sẽ là:

Efficiency=\frac{100mA\times 3.3V}{(100mA+17\mu A)\times 4.5V} \times 100\%=73.3\%

Cũng với bộ nguồn trên, nhưng thay đổi dải điện áp đầu vào thành 3.6V tới 4V.

Efficiency=\frac{100mA\times 3.3V}{(100mA+17\mu A)\times 4V} \times 100\%=82.5\%

Nhìn chung, cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các nguồn tuyến tính dẫn tới một hệ quả xấu, đó là luôn có một điện áp rơi giữa đầu vào và đầu ra. Như đã nói ở trên, điện áp này gọi là Drop Out Voltage, ngoài ra còn có một tên khác là Headroom Voltage. Điện áp này kết hợp với dòng tiêu thụ của tải, cũng như Quiescent Current sẽ làm nguồn tuyến tính tiêu hao một lượng lớn công suất dưới dạng nhiệt. Công suất hao phí này khiến nguồn tuyến tính chỉ có hiệu suất rất thấp, chỉ từ 35 tới 65% [3]. Lấy ví dụ, một nguồn tuyến tính có đầu vào 12V, đầu ra 5V, cung cấp một dòng điện 100mA cho tải sẽ có công suất hao phí tới 700mW trong khi chỉ cấp 500mW cho tải – như vậy hiệu suất sẽ là 42%. Điều này dẫn tới một thực tế đó là nguồn tuyến tính sẽ không có tính kinh tế với các ứng dụng có công suất tiêu thụ lớn hơn 10W do phần chi phí cho tấm tản nhiệt trở lên đắt đỏ. Trong khi đó, LDO là những nguồn tuyến tính tốt hơn do có Drop Out Voltage nhỏ hơn và được sử dụng rất nhiều hiện nay để thay thế cho các nguồn tuyến tính kiểu cũ.

Transient Response
Transient response (tạm dịch là khả năng đáp ứng với những thay đổi nhanh) là sự thay đổi tối đa được cho phép của giá trị điện áp đầu ra ứng với một sự thay đổi của dòng tiêu thụ trên tải. Transient response là một hàm theo giá trị của tụ đầu ra (Output Capacitor) (Co), giá trị nội trở tương đương (Equivalent Series Resistance – ESR) của tụ đầu ra, giá trị của tụ bypass (một tụ thường được thêm vào tại đầu ra để cải thiện khả năng đáp ứng của nguồn), và giá trị dòng tiêu thụ tối đa của tải (IO, MAX). Khi đó, sự thay đổi điện áp đầu ra được cho bởi công thức:

\Delta V_{tr,max}=\frac{I_{o,max}}{C_o\times C_b}\times \Delta t_1+\Delta V_{ESR}

Trong đó, ∆t1 tương ứng với bandwidth (băng thông) của voltage control loop (vòng điều khiển điện áp, ý nói đến cơ chế điều khiển điện áp) hay thời gian từ thời điểm xảy ra thay đổi tới khi bộ nguồn đưa ra đáp ứng, ∆VESR là điện áp thay đổi tại đầu ra – kết quả của sự hiện diện của ESR (RESR) của tụ đầu ra.

Hình 4. Transient Response của một LDO 1.2V, 100mA

Hình trên là Transient Response của một LDO 1.2V, 100mA với tụ đầu ra 4.7uF. Bước thay đổi (step change) của dòng tiêu thụ trên tải (load current) có giá trị xấp xỉ 90mA, được thể hiện bẳng đường ở phía trên của hình. Đường phía dưới có sự sụt áp 120mV, sau đó cơ chế điều khiển điện áp của LDO bắt đầu đáp ứng lại sự thay đổi của tải trong khoảng 1us (∆t1=1us). Frequence bandwidth của LDO được tính dựa trên giá trị ∆t1. Cuối cùng điện áp đầu ra đạt ngưỡng ổn định sau khoảng 17us. Để thu được tốc độ đáp ứng nhanh hơn, nên lựa chọn LDO có bandwidth cao (thời gian ∆t1 ngắn hơn), sử dụng tụ đầu ra có điện dung lớn hơn, giá trị trở tương đương ESR của tụ nhỏ hơn.

Line Regulation
Line Regulation là thông số đo lường khả năng ổn định điện áp đầu ra của LDO khi điện áp đầu vào thay đổi. Được định nghĩa bằng công thức sau:

Line Regulation=\frac{\Delta V_{OUT}}{\Delta V_{IN}}
Hình 5. Line Transient Response of TPS76933

Load Regulation
Line Regulation là thông số đo lường khả năng ổn định điện áp đầu ra của LDO khi dòng tiêu thụ của tải thay đổi. Được định nghĩa bằng công thức sau:​​

Load Regulation=\frac{\Delta V_o}{\Delta I_o}
Hình 6. Load Transient Response of TPS76350

PSRR và khả năng cải thiện nhiễu của LDO
Power supply ripple rejection ratio (PSRR), là một thông số đo lường khả năng loại bỏ các thành phần nhiễu “ripple” [4]  ứng với các tần số khác nhau ra khỏi điện áp vào của một mạch điện. Đây là một thông số rất quan trọng, nhất là với các ứng dụng liên quan tới sóng RF (Radio Frequency), các ứng dụng truyền thông không dây… Trong trường hợp của LDO, nó được tính bằng tỷ số giữa biên độ “ripple” tại đầu ra so với biên độ “ripple” tại đầu vào với các giá trị tần số khác nhau của ripple (thường nằm trong dải từ 10Hz tới 10MHz) và được biểu diễn bằng đơn vị decibel (dB).

PSRR=20\times \log\frac{RIPPLE_{INPUT}}{RIPPLE_{OUTPUT}}
Hình 7. Minh họa khả năng cải thiện ripple của LDO

Thông thường, giá trị PSRR của LDO vào khoảng vài chục dB và được ghi trong datasheet của từng bộ nguồn. Ví dụ, trong datasheet của một LDO có mã Part Number là “AP2127” (do Diodes Inc sản xuất) có ghi như sau: “High Ripple Rejection: ​68dB @ f = 1kHz, 54dB @ f = 10kHz”. Điều này có nghĩa là: giá trị PSRR ứng với thành phần nhiễu ripple có tần số 1kHz là 68dB, ứng với thành phần nhiễu ripple có tần số 10kHz là 54dB. Điều này cho thấy, AP2127 có khả năng loại bỏ “ripple” có tần số thấp tốt hơn nhiễu có tần số cao.

​PSRR khá giống với Line Transient Response. Trong khi PSRR được mô tả ở các giá trị tần số xác định thì Line Transient Response lại bao gồm tất cả các tần số. Thông thường, việc cải thiện PSRR cũng đi kèm với sự thiện Line Transient Response. Sự khác biệt chính là PSRR được xây dựng dựa trên các tín hiệu nhỏ, trong khi Line Transient là từ các tín hiệu lớn, do đó về mặt lý thuyết phức tạp hơn nhiều [5]

Output Noise Voltage
Output Noise Voltage (tạm dịch là điện áp nhiễu tại đầu ra) là giá trị hiệu dụng (Root Mean Square, RMS) của nhiễu tại đầu ra của LDO trên một dải tần số cho trước (thường từ 10 Hz tới 100kHz) dưới các điều kiện:

  • Dòng đầu ra là một hằng số
  • Điện áp đầu vào của LDO không có Ripple

Điều này đồng nghĩa với việc nhiễu tại đầu ra của LDO khi đó được tạo ra bởi chính bản thân LDO mà không phải do bất cứ nguồn nhiễu nào từ bên ngoài.

Hình 8. Output Noise Voltage

Hầu hết nhiễu tại đầu ra dưới hai điều kiện làm việc trên được gây ra từ bộ tạo điện áp tham chiếu VREF của LDO. Thông thường giá trị Output Noise Voltage trong khoảng 100 tới 500 μV. Một số LDO có thêm các chân có thể mắc vào một tụ điện bypass nhỏ để giảm nhiễu tại đầu ra. Tụ điện này kết hợp với một điện trở bên trong LDO để tạo thành một bộ lọc thông thấp. Ví dụ dòng TPS764xx của Texas Instrument có thể chỉ có nhiễu đầu ra vào khoảng 50μV khi sử dụng tụ bypass 0.01μF và tụ đầu ra 4.7μF.

Accuracy
Accuracy là độ chính xác của điện áp đầu ra của LDO được xây dựng dựa trên các ảnh hưởng của Line Regulation (ΔVLR), Load Regulation (ΔVLDR), độ trôi của điện áp tham chiếu (Reference Voltage Drift) (ΔVO,REF), độ trôi điện áp của bộ so sánh (ΔVO,A), sai số của các điện trở lấy mẫu (hai điện trở phân áp đưa vào chân feedback của LDO) (ΔVO,R) và hệ số nhiệt độ (ΔVTC). Độ chính xác được định nghĩa bởi công thức:

Accuracy=\frac{\mid \Delta V_{LR}\mid+\mid\Delta V_{LDR}\mid + \sqrt{\Delta {V_{O,REF}}^2+\Delta {V_{O,A}}^2+ \Delta {V_{O,R}}^2+ \Delta {V_{TC}}^2}} {V_O}\times 100\%

​Sự thay đổi của điện áp đầu ra chủ yếu phụ thuộc vào sự thay đổi của các đặc tính của nguồn điện áp tham chiếu và của bộ so sánh theo nhiệt độ, cũng như sai số của các điện trở lấy mẫu. Các yếu tố khác như Load Regulation, Line Regulation, Gain Error, Offset…đóng góp từ 1 tới 3% vào độ chính xác.

Ưu nhược điểm và ứng dụng

Ưu điểm lớn nhất của nguồn tuyến tính hay các bộ nguồn LDO đó là khả năng cung cấp một điện áp đầu ra ổn định, ít nhiễu (khi so sánh Switching Mode Power Supply). Đặc biệt, những LDO có PSRR cao còn có khả năng cải thiện hay nói cách khác là làm giảm nhiễu của đầu ra so với đầu vào. Điều này giúp LDO được sử dụng rất nhiều trong các mạch có công suất tiêu thụ thấp và nhạy cảm với nhiễu như các các vi điều khiển, cảm biến, hay các mạch analog khác. Ngoài ra, LDO còn được sử dụng như một bộ lọc khi hoạt động với vai trò là một bộ nguồn thứ cấp, nếu nguồn đứng trước nó là một nguồn xung – vốn có nhiều nhiễu chuyển mạch có tần số cao (xem bài thứ hai của loại bài “Power Supply Basic”).
Lấy ví dụ trong một thiết bị bật tắt đèn tự động có sơ đồ phân phối nguồn như trong hình 9. Một adaptor là một nguồn xung có topology là flyback làm nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 220VAC xuống 5VDC. Điện áp 5VDC này sẽ được cấp cho các thành phần khác trong thiết bị. Bộ vi điều khiển và WiFi module sử dụng điện áp 3.3VDC, có dòng tiêu thụ lớn (WiFi Module có thể tiêu thụ dòng lớn hơn 1A, tùy vào công suất phát, vi điều khiển có thể tiêu thụ dòng khoảng 200mA) nên được cấp nguồn từ một nguồn Buck – là một dạng nguồn switching. Trong khi đó, cảm biến ánh sáng tiêu thụ dòng nhỏ nhưng đòi hỏi độ chính xác cao, ít nhiễu, vì vậy có thể sử dụng LDO để cấp nguồn. LDO lúc này là một nguồn thứ cấp sau Adaptor, giúp giảm nhiễu chuyển mạch cao tần còn dư lại ở đầu ra của Adaptor nhờ hệ số PSRR cao

Hình 9. Sơ đồ phân phối nguồn cho một thiết bị bật tắt đèn tự động

Nhược điểm của nguồn tuyến tính và LDO là hiệu suất thấp hơn so với nguồn Switching Mode, chỉ nên sử dụng cho các ứng dụng có dòng tiêu thụ nhỏ. Nếu sử dụng cho các ứng dụng có dòng tiêu thụ lớn, nguồn sẽ rất nóng, làm tăng chi phí cho các tấm tản nhiệt.

Thực hành thiết kế một nguồn LDO cơ bản

Lựa chọn LDO

Trước khi lựa chọn, thiết kế một mạch nguồn LDO, bạn cần nắm được các yêu cầu thiết kế cơ bản. Ví dụ:

  • Giá trị điện áp đầu vào, điện áp đầu ra. Lưu ý, giá trị điện áp đầu vào phải nhỏ hơn giá trị điện áp đầu vào tối đa của LDO.
  • Cường độ dòng điện đầu ra
  • Mạch được áp dụng cho ứng dụng nào, có cần yêu cầu gì đặc biệt không? Ví dụ như nhiễu thấp (low noise), mạch RF cần PSRR cao…

Sau khi liệt kê được tất cả các yêu cầu, bạn có thể truy cập vào trang web của các nhà sản xuất IC nguồn nổi tiếng để lựa chọn ra một IC nguồn phù hợp. Có thể kể tên một số nhà cung cấp IC nguồn chính là:

  • Texas Instruments: Các giải pháp nguồn của TI khá tốt, giá rẻ. Địa chỉ website http://www.ti.com
  • Analog Device cùng công ty con là Linear Technology: So với TI thì nguồn của AD có thể nói là cực tốt: ripple thấp, ngay cả khi tải nhẹ (light load) hoặc đầy tải; line regulation cũng như load regulation đều tốt hơn. Tuy nhiên giá cực chát. Địa chỉ website https://www.analog.com
  • Một số nhà cung cấp nguồn nổi tiếng khác với chất lượng IC nguồn khá tốt và giá thậm chí còn rẻ hơn TI đó là: Monolithic Power Systems (MPS), địa chỉ website https://www.monolithicpower.com, Richtek Technology (công ty con của MediaTek) với địa chỉ website https://www.richtek.com/

Sau khi đã chọn được một LDO phù hợp với yêu cầu thiết kế, chúng ta sẽ học cách áp dụng chúng vào trong mạch điện. Thông thường, một nguồn LDO có hai dạng đó là:

  • Điện áp đầu ra cố định, ví dụ như 3.3V và bạn không thể thay đổi được giá trị này.
  • Điện áp đầu ra thay đổi được, bạn có thể sử dụng cùng một mã IC để sử dụng cho nhiều ứng dụng có điện áp đầu ra khác nhau, ví dụ 3.3V, 2.8V …

Thiết kế mạch nguồn tham khảo sử dụng AMS1117

AMS1117 là một dòng LDO rất dễ mua được tại Việt Nam. Trước khi bắt tay vào thiết kế, bạn cần tải về tập tin datasheet của AMS1117 tại đây.

Cũng như nhiều dòng LDO khác, AMS1117 có cả phiên bản điện áp đầu ra có thể tùy chỉnh (adjustable version) và các phiên bản có điện áp đầu ra cố định (fixed version)

Hình 10 – Các phiên bản của AMS1117
Thiết kế mạch nguyên lý

Cách thức sử dụng AMS1117 được nhà sản xuất mô tả rõ ràng trong phần Application Hints. Trong phần này có đề cập tới một số điểm đáng chú ý như sau:

  1. Tụ đầu ra có giá trị 22uF là đủ để mạch hoạt động ổn định trong hầu hết các trường hợp (bao gồm trường hợp tại chân ADJ có một tụ bypass nhằm giảm ripple). Nếu không sử dụng tụ tại chân ADJ thì có thể sử dụng giá trị tụ đầu ra nhỏ hơn.
  2.  AMS1117 không cần tới một diode bảo vệ mắc giữa hai chân ADJ và OUT. Với ứng dụng có tụ đầu ra rất lớn (1000uF tới 5000uF) thì cần mắc thêm một diode mắc từ đầu ra tới đầu vào của chip.
  3. Điện áp tham chiếu của AMS1117 có giá trị 1.2V (VREF). Sử dụng hai điện trở R1, R2 mắc phân áp để tạo một điện áp phản hồi (feedback) vào chân ADJ. Cần lựa chọn giá trị điện trở phù hợp để dòng qua R1 và R2 không nhỏ hơn 10mA.
Hình 11 – Sơ đồ thiết kế nguồn sử dụng AMS1117

Giả sử, chúng ta cần thiết kế một nguồn có các yêu cầu như sau:

  • Điện áp đầu vào: Vin = 5V
  • Điện áp đầu ra: Vout = 3.3V
  • Cường độ dòng điện đầu ra: Iout = 1A

Khi đó lựa chọn:

  •  Tụ đầu vào: CIN = 10uF (Trong datasheet không nói rõ, vì vậy mình chọn một con số dựa trên kinh nghiệm. Với các nguồn tuyến tính thì tụ đầu vào 10uF là đủ cho hầu hết trường hợp)
  • Tụ đầu ra: COUT = 22uF. Thông thường ripple tại đầu ra của các LDO phụ thuộc vào hai yếu tố đó là độ lớn của tụ đầu ra (tụ đầu ra cần lớn hơn giá trị tối thiểu) và điện trở tương đương (ESR) của tụ đầu ra nên là nhỏ. Để thu được ESR nhỏ bạn có thể lựa chọn một tụ gốm (ceramic capacitor) hoặc mắc song song một vài tụ với nhau.
  •  Nếu sử dụng tụ bypass tại chân ADJ, bạn cần phải lựa chọn giá trị phù hợp với tần số ripple bạn muốn lọc, tần số ripple cần loại bỏ càng cao thì giá trị tụ bypass càng phải nhỏ. Ví dụ với R1 = 100 Ohm, tần số ripple muốn lọc là 120Hz thì CADJ nên có giá trị lớn hơn 13uF; nếu tần số ripple là 10kHz thì CADJ chỉ là 0.16uF.
  •  Điện trở R1 nên chọn trong khoảng 100 – 200 Ohm (đọc datasheet). Giả sử R1 là 100 Ohm thì:
R_2=R_1\times \frac{V_{OUT} - V_{REF}}{V_{REF}} = 100 \Omega \times \frac{3.3V - 1.2V}{1.2V} = 175\Omega 
  • (Công thức trên đúng với trường hợp IADJ rất nhỏ và có thể bỏ qua). Chọn giá trị điện trở phổ biến cho R2 là 174Ω±1%
Thiết kế layout

Một số điểm lưu ý khi layout một nguồn tuyến tính:

  • Tụ đầu vào, tụ đầu ra, tụ bypass tại chân ADJ nên được gần sát các chân tương ứng của IC
  • Nên đặt via gần cực GND của các tụ để giảm kích thước current loop, các via này cắm từ mặt TOP xuống GND Power Plane ở mặt BOT.

Mình không có layout guide cho con này nên lấy tạm layout của một con LDO khác cho mọi người hình dung cách sắp xếp linh kiện (placement) cũng như đi dây (routing).

Hình 12 – Ví dụ về cách layout cho một nguồn LDO

Tổng kết

  • Nguồn tuyến tính được gọi là “tuyến tính” do chúng được xây dựng dựa trên đặc tính của phần tử “Pass Element” (MOSFET, BJT…) khi làm việc ở vùng tuyến tính.
  • Nguồn tuyến tính có hiệu suất không cao, một lượng lớn năng lượng bị tiêu hao dưới dạng nhiệt
  • Nguồn tuyến tính được ứng dụng phổ biến trong các mạch có công suất tiêu thụ nhỏ nhưng yêu cầu điện áp ổn định, ít nhiễu như các mạch tương tự, mạch cảm biến…

Tài liệu tham khảo

[1] Wikipedia
[2] Understanding Low Drop Out (LDO) Regulators – Michael Day, Texas Instruments
[3] Switching-Mode Power Supply, Reference Manual, ON Semiconductor
[4] Ripple hay Ripple Voltage theo Wikipedia English là “những thay đổi có tính chu kỳ của giá trị điện áp đầu ra của một nguồn điện một chiều (DC) được dẫn xuất hay bắt đầu từ một nguồn điện xoay chiều (Alternating Current, AC)”. Đây là thành phần không mong muốn tại đầu ra nên có thể được gọi là nhiễu.
[5] Understanding power supply ripple rejection in linear regulators – John C. Tee, Texas Instrument

Nguồn tham khảo: https://hardwaredesigner.blog/2019/04/16/nguon-tuyen-tinh/