Плата питания с LDO: ТЗ и схема

Мультивибратор из модуля 7 ты собирал по руководству: каждое решение уже было принято за тебя. Теперь решения принимаешь сам. Проект нарочно простой — плата, которая из 5–12 В делает 3,3 В. Простота обманчивая: здесь есть всё, на чём горят первые самостоятельные платы. Неправильный конденсатор, перегретый стабилизатор, перепутанная полярность адаптера.

Проект займёт три урока: ТЗ и схема (этот), топология (11.1.2) и выпуск и заказ (11.1.3).

Шаг 1. Техническое задание

Техническое задание (ТЗ, specification) — короткий документ, в котором записано, что должно получиться. Без ТЗ проект «расползается»: в середине топологии вдруг хочется добавить USB, потом ещё один выход, и через неделю ни одна задача не доделана.

Начальное ТЗ нашей платы:

Параметр	Требование
Входное напряжение	5–12 В постоянного тока от сетевого адаптера
Входной разъём	гнездо питания 5,5/2,1 мм, центральный контакт «+»
Выходное напряжение	3,3 В ± 3 %
Выходной ток	определим расчётом (см. шаг 4)
Защита	от переполюсовки входа — без повреждений
Индикация	светодиод «выход есть»
Контроль	контрольные точки VIN, +3V3, GND
Плата	2 слоя, не больше 40×30 мм, 4 отверстия M3

Строку «выходной ток» мы оставили открытой специально. В реальных проектах ток обычно задан, а детали подбирают под него. Здесь наоборот: деталь (LM1117 в корпусе SOT-223) выбрана заранее, и мы выясним, что она реально может. Это честный инженерный ответ на вопрос «сколько выдержит».

Рис. 11.1. Структура платы питания: вход, защита от переполюсовки, линейный стабилизатор с конденсаторами и выход. Снизу — индикатор питания и контрольные точки. *Допустимый ток зависит от входного напряжения и площади меди — расчёт в уроке.

💡Совет

Пиши ТЗ так, чтобы каждое требование можно было проверить на собранной плате. «Надёжная» — не проверишь. «Выдерживает переполюсовку 12 В без повреждений» — проверишь за минуту.

Шаг 2. Выбор стабилизатора

Нужен линейный стабилизатор на 3,3 В (урок 3.6). Берём LM1117-3.3 от Texas Instruments: дешёвый, распространённый, есть у любого поставщика, а его компонент для библиотеки ты уже сделал в уроке 8.7.

Выписываем из даташита (TI, SNOS412) только то, что влияет на схему:

Параметр	Значение	Что из этого следует
Максимальное входное напряжение	20 В (абс. макс.), рекомендованное до 15 В	12 В на входе — с запасом
Выходной ток	до 800 мА	верхний предел, если не мешает нагрев
Падение напряжения (dropout) при 800 мА	тип. 1,2 В, макс. 1,3 В	вход должен быть выше выхода минимум на 1,3 В
Диапазон входа, при котором гарантирован выход 3,3 В	4,75–10 В	при 5 В почти нет запаса — см. шаг 3
Собственный ток (ground current)	тип. 5 мА, макс. 10 мА	плата ест мА даже без нагрузки
Входной конденсатор	10 мкФ танталовый	ставим C1
Выходной конденсатор	не меньше 10 мкФ, танталовый, ESR 0,3–22 Ом	ставим C3 — это условие устойчивости!
Тепловое сопротивление RθJA, SOT-223	61,6 °C/Вт (стандартная плата JEDEC); от 66 до 136 °C/Вт в зависимости от площади меди	расчёт в шаге 4
Выводы SOT-223	1 — ADJ/GND, 2 — OUT, 3 — IN, 4 (фланец) — OUT	фланец — это выход, а не земля!

⚠️Внимание

LM1117 — стабилизатор «старой школы»: для устойчивости ему нужно некоторое сопротивление (ESR) выходного конденсатора. Если поставить на выход только керамику с ESR в миллиомы, стабилизатор может возбудиться: на выходе появятся колебания вместо ровных 3,3 В. Поэтому C3 — танталовый, ровно как требует даташит. У многих современных LDO всё наоборот: они рассчитаны на керамику. Правило одно — читай раздел о конденсаторах в даташите конкретной микросхемы.

📖Из учебникагл. 6, §6.16–6.18, с. 360–369

Хоровиц объясняет, откуда у классических стабилизаторов вроде 78xx «перепад» около 2 В: в цепи проходного транзистора стоят несколько переходов база–эмиттер, на каждом теряется ~0,6 В. Стабилизаторы с малым перепадом избавляются от части этих потерь за счёт другого проходного транзистора (с. 368–369). LM1117 — промежуточный вариант: его перепад около 1,2 В, меньше, чем у 78xx, но больше, чем у современных LDO на МОП-транзисторах.

Шаг 3. Защита от переполюсовки

Адаптеры с гнездом 5,5/2,1 мм бывают с плюсом в центре и с минусом в центре. Рано или поздно кто-нибудь воткнёт «не тот». Без защиты LM1117 получит обратное напряжение и, скорее всего, умрёт.

Два популярных решения:

1. Диод Шоттки последовательно (например, SS14: 40 В, 1 А, прямое падение до 0,5 В при 1 А). Просто и дёшево, но 0,5 В теряются всегда.
2. P-канальный МОП-транзистор в плюсовой линии (сток — к входу, исток — к нагрузке, затвор через резистор на землю). При правильной полярности транзистор открыт и падение на нём — ток × Rси.откр (сотые доли вольта). При обратной полярности он закрыт и цепь разорвана.

Решает «бюджет» напряжения при самом низком входе — 5 В:

Рис. 11.3. Хватит ли 5 вольт? Выход 3,3 В плюс наихудшее падение на LM1117 (1,3 В) — уже 4,6 В. С диодом Шоттки ещё 0,5 В, и сумма вылезает за 5 В: при большом токе стабилизатор выйдет из режима стабилизации. С P-канальным транзистором потери — сотые доли вольта.

С диодом 5 − 0,5 = 4,5 В — меньше, чем 3,3 + 1,3 = 4,6 В, которые нужны LM1117 в худшем случае. Да и гарантированный выход даташит обещает только начиная с 4,75 В. Выбираем транзистор.

Берём DMP3099L (Diodes Inc., SOT-23): VСИ = −30 В, VЗИ max = ±20 В, порог затвора до 2,1 В, сопротивление открытого канала до 65 мОм при VЗИ = −10 В (при −4,5 В оно больше — смотри график в даташите). Проверяем крайние случаи:

• вход 12 В: VЗИ ≈ −12 В — в пределах ±20 В, защитный стабилитрон в затвор не нужен;
• вход 5 В: VЗИ ≈ −5 В — больше порога 2,1 В, транзистор надёжно открыт.

Резистор в затворе R1 = 100 кОм нужен, чтобы затвор не «висел в воздухе» и чтобы ограничить ток при переходных процессах.

💡Совет

Почему транзистор вообще проводит при включении? Внутри МОП-транзистора есть паразитный диод сток–исток. При правильной полярности ток сначала идёт через него, исток поднимается, VЗИ становится отрицательным, и канал открывается, шунтируя диод. При обратной полярности диод заперт и канал тоже закрыт.

💡Вариант: вход USB-C вместо гнезда

Если плату питать от USB-C (только 5 В, без данных), каждый из выводов CC1 и CC2 подключают к земле своим резистором 5,1 кОм. Так источник понимает, что подключён потребитель, и включает VBUS. Один общий резистор на оба CC — известная ошибка, из-за которой некоторые зарядники и кабели с электронной маркировкой не дают питания. Переполюсовки у USB-C не бывает, но на 5 В и LM1117 опять упрёшься в запас по напряжению. Никогда не ставь на плату гнездо и USB-C одновременно без развязки: 12 В из адаптера уйдут в USB-порт компьютера.

Шаг 4. Тепловой расчёт — сколько тока можно взять

Линейный стабилизатор «сжигает» разницу напряжений:

P = (Uвх − Uвых) · Iвых + Uвх · Iсобств

Температура кристалла: Tj = Ta + P · RθJA. Ограничения: Tj не выше 125 °C (рабочий диапазон LM1117), температура окружающей среды в корпусе прибора — возьмём 40 °C. Значит, допустимый нагрев 85 °C.

RθJA	Pmax = 85 / RθJA	Imax при 12 В	Imax при 5 В
61,6 °C/Вт (большой полигон, как на тестовой плате JEDEC)	1,38 Вт	(1,38 − 0,06) / 8,7 ≈ 150 мА	800 мА (предел микросхемы; P ≈ 1,4 Вт — на грани)
136 °C/Вт (минимум меди)	0,63 Вт	(0,63 − 0,06) / 8,7 ≈ 65 мА	(0,63 − 0,03) / 1,7 ≈ 350 мА

Вывод для ТЗ: 3,3 В, до 500 мА при входе 5 В и до 150 мА при входе 12 В, при условии теплоотводящего полигона под фланцем (урок 11.1.2). Это и есть ответ на открытый вопрос из шага 1. Если нужно больше тока при 12 В — нужен импульсный стабилизатор, а это уже другой проект.

📖Из учебникагл. 6, §6.04, с. 329

Тепловое сопротивление складывается по цепочке «кристалл → корпус → радиатор → воздух», как последовательные резисторы, а мощность играет роль тока. На печатной плате «радиатор» — это медь вокруг вывода. Поэтому RθJA в даташите приводится с оговоркой о площади меди. В уроке 5.8 об этом подробно.

Шаг 5. Остальные детали

Обозначение	Деталь	Почему так
J1	гнездо 5,5/2,1 мм на плату	стандартный адаптер
VT1	DMP3099L, SOT-23	шаг 3
R1	100 кОм, 0805	подтяжка затвора
C1	10 мкФ, 25 В, тантал (корпус B или C)	по даташиту; напряжение с запасом ×2 к 12 В
C2	100 нФ, 50 В, X7R, 0805	ВЧ-развязка входа, ставится вплотную к выводу IN
DA1	LM1117MPX-3.3 (SOT-223)	шаг 2; точный код заказа сверь в даташите
C3	10 мкФ, 10 В, тантал, ESR в пределах 0,3–22 Ом	условие устойчивости
R2, HL1	1 кОм + светодиод 0805	ток (3,3 − ~2,0) / 1 кОм ≈ 1,3 мА — заметно, но экономно
J2	штыревой разъём 2×1, шаг 2,54	выход
TP1–TP3	контрольные точки (площадки или штыри)	для щупов (урок 5.10)

⚠️Внимание

Танталовые конденсаторы не любят бросков напряжения и неправильной полярности: пробиваются, иногда с дымом. Поэтому номинальное напряжение берут с запасом не меньше ×2, а полярность на схеме и шелкографии проверяют дважды.

Шаг 6. Схема в Altium

Рис. 11.2. Принципиальная схема платы питания. VT1 защищает от переполюсовки почти без потерь напряжения. C1 и C3 — обязательные конденсаторы по даташиту LM1117, C3 — танталовый с ESR 0,3–22 Ом: от этого зависит устойчивость стабилизатора. HL1 показывает наличие 3,3 В, TP1–TP3 — точки для щупов.

Создай проект по уроку 7.1 (Power3V3.PrjPcb и лист Power3V3.SchDoc) и нарисуй схему рис. 11.2. Приёмы те же, что в модуле 7, поэтому только порядок действий:

1. Размести детали: компоненты из твоей библиотеки (LM1117 из урока 8.7) и из панели Components (урок 7.2).
2. Проведи проводники: Place›Wire, клавиши PзатемW.
3. Подпиши цепи: VIN, +3V3 — меткой цепи Place›Net Label или портом питания. GND — портом питания со стилем Ground.
4. Заполни параметры: номинал, корпус, номинальное напряжение конденсаторов, MPN (номер детали у производителя). Пригодится для BOM в уроке 11.1.3.
5. Пронумеруй детали: Tools›Annotation›Annotate Schematics.
6. Скомпилируй проект и проверь панель Messages на ошибки соединений: Project›Validate PCB Project[ПРОВЕРИТЬ].

[СКРИНШОТ: готовая схема платы питания в редакторе схем Altium]public/screenshots/m11/l01-power-schematic.png

🛠Особенность Altium

Названия команды компиляции в разных версиях отличались: в старых версиях это Project » Compile PCB Project, в новых — Validate. Если не нашёл пункт, воспользуйся поиском в правом верхнем углу окна Altium.

Чек-лист ревью схемы

Перед тем как идти в топологию, пройди по списку — лучше вслух:

• У каждой детали номинал, корпус и MPN; у конденсаторов — номинальное напряжение.
• Выводы LM1117 в символе совпадают с даташитом: 1 — GND, 2 и фланец — OUT, 3 — IN.
• Полярность C1 и C3 правильная.
• VT1 включён стоком к входу, истоком к нагрузке.
• Компиляция без ошибок, нет неподключённых выводов (кроме специально помеченных).
• ТЗ обновлено: выходной ток записан по результату шага 4.

🧯 Типичные ошибки

Стабилизатор «звенит», выход пульсирует

Почему На выход LM1117 поставили только керамический конденсатор с очень маленьким ESR.

Как исправить Поставь танталовый конденсатор 10 мкФ с ESR 0,3–22 Ом, как требует даташит. Всегда сверяй требования к выходному конденсатору конкретного LDO.

Фланец SOT-223 соединили с землёй

Почему Привычка «большой медный язык = земля». У LM1117 фланец — это выход.

Как исправить Сверяй распиновку символа и посадочного места с таблицей выводов в даташите, а не с соседней платой.

При 12 В на входе стабилизатор отключается от перегрева

Почему Ток посчитан по закону Ома, а мощность и температура кристалла — нет.

Как исправить Считай P = (Uвх − Uвых)·I и Tj = Ta + P·RθJA. Записывай ограничения по току в ТЗ.

При питании от 5 В выход «проседает» под нагрузкой

Почему Диод защиты съел 0,5 В, и стабилизатору не хватает запаса на падение (dropout).

Как исправить Считай «бюджет» напряжения при минимальном входе. Используй P-канальный транзистор вместо диода.

Проверь себя

1. 1. Вход 9 В, выход 3,3 В, ток 200 мА, RθJA = 61,6 °C/Вт, Ta = 25 °C. Примерная температура кристалла?

   ≈ 25 °C≈ 95 °C≈ 150 °C≈ 60 °C
2. 2. Почему на выходе LM1117 танталовый конденсатор, а не керамический?

   Тантал дешевлеДаташит требует ESR 0,3–22 Ом для устойчивости, а у керамики ESR слишком малКерамика не бывает на 10 мкФ
3. 3. Зачем P-канальный транзистор вместо диода Шоттки для защиты от переполюсовки?

   Он лучше защищает от перенапряженияНа нём падает намного меньше напряжения, и при входе 5 В стабилизатору хватает запасаДиод Шоттки не выдерживает 12 В
4. 4. Какой вывод LM1117 в корпусе SOT-223 соединён с фланцем?

   GND/ADJINOUT

🎯Практическое задание~60 мин

1. Скопируй ТЗ в описание проекта (например, файл README.txt рядом с .PrjPcb) и заполни строку «выходной ток».
2. Нарисуй схему рис. 11.2 в Altium, заполни параметры всех деталей и добейся компиляции без ошибок.
3. Пересчитай тепловую таблицу для своей температуры: например, если плата будет лежать в закрытой коробке при 50 °C. Насколько уменьшится допустимый ток при 12 В?