Noțiuni de bază despre LDO-uri și cum să le aplicați pentru a prelungi durata de viață a bateriei în dispozitivele portabile și purtabile

Dispozitivele electronice moderne sunt din ce în ce mai mici și mai portabile. Ceasurile inteligente, dispozitivele de urmărire a activității fizice, sistemele de securitate și dispozitivele pentru Internetul lucrurilor (IoT) sunt tot mai mult alimentate de baterii. Ca atare, au nevoie de regulatoare de putere de înaltă eficiență care să stoarcă fiecare miliwatt de putere din fiecare încărcare pentru a menține dispozitivul în funcțiune mai mult timp. De asemenea, acestea trebuie să funcționeze cu o creștere minimă a temperaturii. Regulatoarele liniare tradiționale și regulatoarele de putere în comutație nu pot atinge cu ușurință eficiența necesară pentru aceste dispozitive portabile. În plus, regulatoarele de putere în comutație suferă și de zgomot și tensiuni tranzitorii.

Regulatorul de tensiune cu cădere de tensiune redusă (LDO), cea mai recentă adiție la gama de regulatoare liniare și de comutare, folosește funcționarea cu căderi de tensiune foarte mici pe regulator pentru a îmbunătăți eficiența și a reduce disiparea termică. Variantele de LDO-uri sunt potrivite pentru aplicațiile de putere mică spre medie, pentru care pot fi livrate în pachete de numai 3 × 3 x 0,6 milimetri (mm). Sunt disponibile versiuni cu tensiuni de ieșire fixe sau reglabile, precum și unele versiuni cu control de pornire-oprire prin intermediul unei linii de activare a ieșirii.

Acest articol examinează noțiunile de bază ale regulatoarelor cu căderi reduse și caracteristicile lor cheie în raport cu regulatoarele de putere tradiționale liniare și în comutație. Apoi, prezintă dispozitive LDO din lumea reală de la Diodes Incorporated și arată cum sunt aplicate.

Ce este un regulator LDO?

Funcția unui regulator de tensiune este de a menține o tensiune de ieșire constantă în prezența unor modificări ale tensiunii de sarcină și de sursă. Circuitele tradiționale de reglare a tensiunii utilizează fie modele liniare, fie modele cu mod de comutare. Regulatoarele LDO aparțin clasei regulatoarelor liniare, dar funcționează cu tensiuni foarte mici între bornele de intrare și de ieșire. La fel ca toate regulatoarele liniare de tensiune, LDO se bazează pe o buclă de control cu feedback (Figura 1).

Figura 1: un regulator LDO se bazează pe un circuit de feedback controlat de tensiune. Dispozitivul de trecere în serie, care poate fi un tranzistor bipolar PMOS, NMOS sau PNP, acționează ca un rezistor controlat de tensiune. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Regulatorul LDO detectează tensiunea de ieșire prin intermediul unui divizor de tensiune rezistiv care scalează nivelul de ieșire. Tensiunea de ieșire scalată este aplicată la un amplificator de eroare, unde este comparată cu o tensiune de referință. Amplificatorul de eroare acționează dispozitivul de trecere în serie pentru a menține tensiunea dorită la terminalul de ieșire. Diferența dintre tensiunea de intrare și cea de ieșire este tensiunea de cădere, care apare pe dispozitivul de trecere.

Dispozitivul de trecere în serie dintr-un LDO acționează ca un rezistor care variază în funcție de tensiune. Dispozitivul de trecere în serie poate fi un semiconductor de oxid metalic cu canal P (PMOS), un semiconductor de oxid metalic cu canal N (NMOS) sau un tranzistor bipolar PNP. Dispozitivele PMOS și PNP pot fi acționate până la saturație, minimizând tensiunea de cădere. În cazul unui tranzistor cu efect de câmp (FET) PMOS, tensiunea de cădere este aproximativ egală cu rezistența canalului ON (R_DSON) înmulțită cu curentul de ieșire. Deși fiecare dintre aceste dispozitive are avantaje și dezavantaje, dispozitivul PMOS se dovedește a avea cel mai mic cost de implementare. Seria AP7361EA de regulatoare LDO cu ieșire pozitivă de la Diodes Incorporated utilizează un dispozitiv de trecere PMOS și atinge o tensiune de cădere de aproximativ 360 milivolți (mV) pentru o ieșire de 3,3 volți la un curent de sarcină de 1 amper (A) și o precizie a tensiunii de ±1% (Figura 2).

Figura 2: sunt prezentate diagrame ale tensiunii de cădere a LDO-ului de 3,3 volți din seria AP7361EA ca o funcție a curentului de ieșire la trei temperaturi diferite. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Diagrama tensiunii de cădere ca o funcție a curentului de ieșire arată o pantă constantă pentru fiecare temperatură, ceea ce indică natura rezistivă a acestuia. Tensiunea de cădere este oarecum dependentă de temperatură, nivelul crescând odată cu creșterea temperaturii. Rețineți că tensiunea de cădere a LDO-ului este mult mai mică decât cea a unui regulator de putere liniar convențional, care ar avea o tensiune de cădere de aproximativ 2 volți.

Observați condensatorul de ieșire din Figura 1, care este prezentat cu rezistența sa efectivă în serie (ESR) inerentă, care afectează stabilitatea regulatorului. Condensatorul selectat trebuie să aibă un ESR mai mic de 10 ohmi (Ω) pentru a garanta stabilitatea pe întreaga temperatură de funcționare, de la -40 ° la +85 °C. Tipurile de condensatoare sugerate includ condensatoare ceramice multistrat (MLCC), E-CAP-uri cu semiconductori și condensatoare cu tantal cu valori de peste 2,2 microfarazi (mF).

Curentul de repaus, I_Q, reprezintă curentul absorbit de la sursa de alimentare de către LDO fără sarcină. Curentul de repaus alimentează circuitele interne ale LDO-ului, cum ar fi amplificatorul de eroare și divizorul de tensiune de ieșire. În cazul dispozitivelor alimentate cu baterii, curentul de repaus afectează rata de descărcare a bateriei și, în general, este proiectat pentru a fi cât mai mic posibil. Seria AP7361EA de la Diodes Incorporated are un I_Q tipic de 68 mA.

LDO-urile din seria AP7361EA

Seria AP7361EA include trei configurații alternative de circuite, după cum se arată în Figura 3.

Figura 3: seria AP7361EA oferă dispozitive cu tensiune de ieșire fixă sau reglabilă, cu sau fără un control de activare. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Seria AP7361EA include versiuni cu tensiuni de ieșire fixe sau reglabile. Versiunile cu tensiune fixă au divizoare de tensiune interne și oferă niveluri de tensiune de ieșire de 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 sau 3,3 volți. Dispozitivele de ieșire reglabile necesită un divizor de tensiune extern furnizat de utilizator și au un interval de tensiune de ieșire de la 0,8 la 5 volți. Specificația de precizie a tensiunii de ieșire pentru toate versiunile este de ± 1%, împreună cu un interval de tensiune de intrare de la 2,2 la 6 volți.

Versiunile fixe sau reglabile pot include o linie de control al activării (EN). AP7361EA este pornit prin setarea pinului EN la nivel înalt și este oprit prin tragerea acestuia la nivel scăzut. Dacă această funcție nu este utilizată, pinul EN trebuie legat la pinul de intrare (IN) pentru a menține ieșirea regulatorului activată în permanență. Timpul de răspuns pentru linia de activare este de aproximativ 200 microsecunde (ms) pentru activare și de aproximativ 50 ms pentru dezactivare.

Cealaltă diferență semnificativă între dispozitivele AP7361EA este reprezentată de pachetul fizic. Acestea sunt disponibile în pachetele U-DFN3030-8 (tip E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) și SO-8EP.

În Tabelul 1 este prezentată o comparație a câtorva exemple de produse AP7361EA, incluzând atât versiunile fixe (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13), cât și cele reglabile (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13)

Tabelul 1: un eșantion de configurații de tensiune fixă și reglabilă ale AP7361EA. (Sursa tabelului: Art Pini, folosind date de la Diodes Inc.)

Toate dispozitivele din seria AP7361EA sunt protejate împotriva scurtcircuitelor și a supracurenților. Protecția împotriva scurtcircuitelor și a supracurenților are o limită de curent de întoarcere de 400 miliamperi (mA) în cazul în care curentul de ieșire depășește limita de curent, de obicei 1,5 A. Oprirea termică are loc atunci când temperatura de joncțiune a dispozitivului crește până la o valoare nominală de 150 °C, iar funcționarea este restabilită atunci când scade sub 130 °C.

Reglarea sarcinii și a liniei

Reglarea sarcinii descrie capacitatea LDO-ului de a menține tensiunea de ieșire în ciuda schimbărilor din curentul sarcinii de ieșire. Acest lucru este important în cazul dispozitivelor portabile alimentate cu baterii, unde controlerele închid adesea subsistemele atunci când nu sunt utilizate. Seria AP7361EA de LDO-uri are o reglare maximă specificată a sarcinii de 1,5% pentru niveluri de ieșire de 1 până la 1,2 volți și de 1% pentru ieșiri de 1,2 până la 3,3 volți (Figura 4).

Figura 4: un exemplu de grafic de reglare a sarcinii pentru o ieșire de 3,3 volți. Variația maximă a ieșirii este de aproximativ 0,15% sau aproximativ 5,0 mV pentru o schimbare de sarcină de la 100 la 500 mA pentru ieșirea nominală de 3,3 volți. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Reglarea sarcinii se calculează ca raportul dintre variația maximă a tensiunii de ieșire și tensiunea de ieșire nominală. În exemplul de mai sus, variația maximă a ieșirii este de aproximativ 5,0 mV pentru o schimbare de sarcină de la 100 mA la 500 mA. Așadar, reglarea sarcinii este de 0,005/3,3 sau 0,15%.

Variația de linie specifică variația ieșirii pentru o schimbare a tensiunii sursei per volt de ieșire. Seria AP7361EA are o specificație maximă de reglare a liniei de 0,1% per volt (%/V) la temperatura camerei și 0,2%/V pe întreaga gamă de temperaturi. Pentru o ieșire de 3,3 volți, o modificare a nivelului de intrare de 1 volt ar trebui să aibă o modificare a nivelului de ieșire mai mică de 0,33% din ieșirea nominală de 3,3 volți (Figura 5).

Figura 5: este prezentat un grafic de reglare a liniei pentru un dispozitiv AP7361EA care funcționează cu o ieșire de 3,3 volți. O modificare a tensiunii de intrare de la 4,3 la 5,3 volți duce la o modificare de 0,05% a tensiunii de ieșire. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Figura 5 prezintă caracteristica de reglare a liniei LDO-ului. O modificare a tensiunii sursei, de la 4,3 la 5,3 volți, duce la o modificare de 0,05% a nivelului de ieșire, sau aproximativ 1,65 mV.

Rețineți că, atât în condițiile de variație a liniei, cât și în condițiile de variație a sarcinii, ieșirea prezintă o recuperare rapidă după evenimentele tranzitorii. Acest lucru este important atunci când se repornesc procese în echipamente portabile, unde magistrala de alimentare trebuie să fie funcțională înainte ca circuitele dezactivate să poată fi repornite.

Raportul de respingere a sursei de alimentare

LDO-urile, fiind circuite liniare, produc mult mai puțin zgomot decât sursele de alimentare în comutație (SMPS) sau convertoarele de putere. În multe aplicații, un LDO este utilizat local pe placa de circuite, dar sursa de alimentare este un SMPS. Datorită sistemului de control din cadrul unui LDO, acesta tinde să suprime zgomotul și ondulația de la sursa de alimentare de intrare. Măsura acestei suprimări a zgomotului este raportul de respingere a sursei de alimentare (PSRR) (Figura 6).

Figura 6: PSRR se calculează pe baza semnalelor de curent alternativ măsurate la intrarea și ieșirea LDO-ului. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

PSRR se calculează în funcție de raportul dintre componentele c.a. ale intrării și cele ale ieșirii, după cum se arată în Figura 6. PSRR în seria AP7361EA este dependentă de frecvență, scăzând odată cu creșterea frecvenței. PSRR este de 75 decibeli (dB) la 1 kilohertz (kHz) și scade la 55 dB la o frecvență de 10 kHz. 75 dB reprezintă o atenuare de peste 5600:1. Un semnal de ondulație sau de zgomot de 10 mV la 1 kHz ar fi atenuat la aproximativ 1,7 microvolți (µV).

Exemplu de aplicație

O aplicație tipică a unui LDO cu ieșire reglabilă este prezentată în Figura 7. Acesta include o activare de ieșire similară cu AP7361EA-SPR-13, precum și un divizor extern pentru tensiunea de ieșire.

Figura 7: un exemplu de utilizare a unui LDO cu ieșire reglabilă care necesită un divizor de tensiune de ieșire extern. Ecuația (dreapta jos) arată relația dintre rezistoarele R1 și R2 pentru tensiunea de ieșire dorită și tensiunea de referință internă. (Sursa imaginii: Diodes Incorporated)

Valorile rezistoarelor divizorului de rezistoare pot fi calculate cu ajutorul ecuațiilor prezentate în partea din dreapta jos a Figurii 7. Valoarea lui R2 trebuie menținută la mai puțin de 80 kilohmi (kΩ) pentru a asigura stabilitatea referinței de tensiune internă. Pentru o ieșire de 2,4 volți cu o tensiune de referință de 0,8 volți și R2 egal cu 61,9 kΩ, valoarea lui R1 este de 123,8 kΩ. Un rezistor de 124 kΩ, 1% ar fi potrivit.

Concluzie

LDO-urile sunt regulatoare de tensiune liniare care funcționează cu diferențe mici de tensiune între intrare și ieșire și cu curenți de repaus mici. Acestea oferă o eficiență energetică ridicată, cu zgomot redus și dimensiuni mici. Sunt deosebit de potrivite pentru dispozitivele portabile cu baterii, prelungind durata de viață a acestora și îmbunătățind fiabilitatea.