LDO vs Linear Voltage Regulator ความแตกต่าง หลักการทำงาน และการใช้งาน

คำเตือน : บทความนี้เขียนขึ้นโดยอาศัยประสบการณ์ของผู้เขียนเป็นส่วนใหญ่ โดยผู้อ่านบางท่านท้วงติเรื่องการขาดรายละเอียดและประเด็นสำคัญบางจุด ผู้อ่านโปรดพิจารณาเลือกศึกษาเอกสารทางวิชาการอื่น ๆ ที่เชื่อถือได้ประกอบ (ผู้เขียนขออภัยมา ณ ที่นี้ และจะปรับปรุงในโอกาศต่อไป)

การลดแรงดันไฟฟ้าทำได้ทั้งการใช้ตัวต้านทาน ซีเนอร์ไดโอด และไอซี ปัจจุบันการลดแรงดันไฟฟ้ามักใช้ไอซีในการลดแรงดัน เนื่องจาก 1) วงจรง่าย 2) ราคาถูก 3) แรงดันเอาต์พุตคงที่ 4) ขนาดวงจรโดยรวมเล็ก อย่างไรก็ตามไอซีที่ใช้ควบคุมแรงดันยังแบ่งได้ 2 ชนิดตามหลักการทำงาน คือ แบบลิเนียร์ (Linear Regulator) และสวิตชิ่ง (Switching Regulator) สำหรับไอซีควบคุมแรงดันแบบแบบลิเนียร์มี 2 ชนิด คือ Linear Voltage Regulator และ LDO (Low-dropout regulator) ในบทความนี้จะพูดถึงความแตกต่างระหว่างไอซีแบบลิเนียร์ทั้ง 2 ชนิดนี้ และตัวอย่างการใช้งาน

Linear Voltage Regulator

เป็นไอซีลดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ยุคเริ่มแรกของไอซี ภายนอกประกอบด้วย 3 ขา คือ 1) INPUT 2) GND 3) OUTPUT วงจรภายในประกอบด้วยทรานซิสเตอร์หลายตัวต่อเป็นวงจรเพื่อควบคุมแรงดันให้คงที่ รองรับแรงดันเข้าได้กว้าง ส่วนใหญ่รับได้สูงสุดถึง 30V มีแรงดันตกคร่อมภายในตัวสูง ตัวอย่างไอซี Linear Voltage Regulator ที่นิยมใช้งานในปัจจุบัน เช่น L7805, 7812, 7915, LM317 เป็นต้น

รูปที่ 1 ไอซี L7805CV (ที่มา RS Components)

รูปที่ 2 วงจรภายใน L7805

ตัวอย่างการใช้งาน L7805 แสดงดังรูปด้านล่าง ด้านไฟเข้า-ออก มีตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็นวงจรกรองสัญญาณ ทำให้แรงดันอินพุต-เอาต์พุตเรียบขึ้น

รูปที่ 3 ตัวอย่างวงจรต่อใช้งาน L7805

รูปที่ 4 ตัวอย่างการต่อใช้งาน L7805

ไอซี Linear Voltage Regulator มักใช้ในวงจรที่ใช้กระแสไฟฟ้าต่ำ เนื่องจากหลักการทำงานคือการสะสมแรงดันส่วนเกินไว้ภายในและแปลงเป็นพลังงานความร้อน โดยความร้อนที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างระหว่างแรงดันอินพุต-เอาต์พุต และกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน ส่วนใหญ่หากเลือกใช้ Linear Voltage Regulator จำเป็นจะต้องติดตั้งฮีตซิ้ง

LDO (Low-dropout regulator)

เป็นไอซีลดแรงดันไฟฟ้าที่นิยมใช้งานในปัจจุบัน ภายนอกมีลักษณะเหมือนกับ Linear Voltage Regulator ประกอบด้วยขา 3 ขา คือ 1) INPUT 2) GND 3) OUTPUT วงจรภายในประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ทำงานในโหมดขยายสัญญาณ โดยตัวทรานซิสเตอร์จะถูกควบคุมด้วยออปแอมป์ รองรับแรงดันเข้าได้น้อยกว่า Linear Voltage Regulator มีแรงดันตกคร่อมภายในต่ำ (Low-dropout) ตัวอย่างไอซี LDO ที่นิยมใช้ในปัจจุบัน เช่น 1117-5.0, 1117-3.3 และกลุ่มไอซีตัวถัง SOT-23-5 เช่น AP2112K-3.3, MIC5219-3.3, BU33SD5WG เป็นต้น

รูปที่ 5 ไอซี MIC5219-3.3 (ที่มา RS Components)

รูปที่ 6 วงจรภายในของไอซี MIC5219-3.3

ตัวอย่างการใช้งานไอซี LDO แสดงดังรูปที่ 7 ประกอบด้วยฝั่งไฟเข้า (VIN) และฝั่งไฟออก (VOUT) ตัวเก็บประจุฝังไฟออกทำหน้าที่ช่วยกรองให้แรงดันไฟฟ้าเรียบขึ้น ขาที่ 3 (EN) ใช้สั่งเปิด-ปิดการทำงาน โดยปกติขา 3 จะต่อร่วมกับขา 1 (VIN) เพื่อให้ไอซีทำงานและมีไฟออกตลอดเวลา

รูปที่ 7 ตัวอย่างการต่อใช้งานไอซี MIC5219-3.3

ไอซี LDO มักใช้ในวงจรที่ใช้กระแสไฟฟ้าต่ำ แรงดันไฟเข้าและไฟออกไม่แตกต่างกันมาก (หรือหวังผลแรงดันด้านอินพุต-เอาต์พุตไม่ต่างกัน) ความร้อนต่ำ ขนาดเล็ก

LDO vs Linear Voltage Regulator

ความแตกต่างสามารถเปรียบเทียบได้ดังนี้ประเด็นสนใจ

ตารางที่ 1 เปรียบเทียบคุณสมบัติของ LDO และ Linear Voltage Regulator

ตัวอย่างงานที่นิยมเลือกใช้ LDO ได้แก่

• งานที่ใช้กระแสไฟฟ้าต่ำ (มักไม่เกิน 500mA)

• งานที่หวังผลให้แรงดันเข้าใกล้เคียงหรือเท่ากับแรงดันออกก็ยังสามารถทำงานได้ เช่น งานที่ใช้แบตเตอรี่ ต่อให้แบตเตอรี่เหลือน้อยที่ 3.3V ก็ยังมีแรงดันเอาต์พุตออกให้วงจรยังทำงานได้

• งานที่เน้นขนาดเล็ก (ตัวถังเป็น SMD)

• งานที่ใช้แรงดันอินพุตไม่สูงมากและคงที่ อยู่ในช่วงประมาณไม่เกิน 12V

ตัวอย่างงานที่นิยมใช้ Linear Voltage Regulator ได้แก่

• งานที่ใช้กระแสไฟฟ้าสูง (ตั้งแต่ประมาณ 1A ขึ้นไป)

• งานที่แรงดันอินพุตกับเอาต์พุตต่างกันมาก (ต่างกันอย่างน้อย 2V) เมื่อแรงดันอินพุตต่ำมากยอมให้วงจรไม่ทำงานได้

• งานที่ไม่เน้นขนาดเล็ก มีพื้นที่พอสำหรับฮีตซิ้ง (ตัวถังมักเป็นแบบมีขา)

• งานที่รองรับแรงดันอินพุตได้กว้าง ตั้งแต่ประมาณ 24V, 12V

มุมมองด้านราคา

ราคาของ LDO และ Linear Voltage Regulator ถือว่าไม่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับสเปค เบอร์ และโรงงานผู้ผลิต