Înțelegerea regulatoarelor liniare LDO
Pentru ca regulatorul de scădere redusă (LDO) să furnizeze o tensiune de ieșire curată și să funcționeze optim, în special la niveluri de curent mai ridicate, trebuie selectați parametrii și parametrii corecți.
Pentru majoritatea domeniilor de aplicare, specificațiile parametrilor de bază ai unei fișe tehnice sunt suficiente și ușor de înțeles. Din păcate, fișele tehnice nu listează parametrii pentru fiecare condiție de comutare posibilă. Prin urmare, pentru a beneficia la maximum de un LDO, este imperativ să se înțeleagă parametrii cheie de performanță și efectul acestora asupra sarcinilor date. Dezvoltatorii trebuie să poată stabili dacă LDO este potrivit pentru o sarcină specifică analizând cu atenție condițiile de comutare a mediului.
Acest articol examinează parametrii esențiali de performanță ai LDO-urilor și efectul acestora asupra livrării unei tensiuni de ieșire curate către diferite componente dintr-un sistem electronic. În plus, discutăm factorii pe care un dezvoltator trebuie să-i ia în considerare pentru a optimiza un sistem, în special la niveluri de curent superioare.
Cum sunt utilizate regulatoarele liniare (LDO) în aplicații
În majoritatea aplicațiilor, LDO-urile sunt utilizate în principal pentru a izola o sarcină sensibilă de la o sursă de energie zgomotoasă. Spre deosebire de regulatoarele de comutare, regulatoarele liniare au pierderi de putere în tranzistorul de trecere sau MOSFET, care este utilizat pentru reglarea și menținerea tensiunii de ieșire cu precizia necesară. Din acest motiv, disiparea puterii unui LDO poate fi un dezavantaj semnificativ din punct de vedere al eficienței și poate provoca probleme termice. Prin urmare, este important ca dezvoltatorii să minimizeze disiparea puterii LDO, crescând astfel eficiența sistemului și evitând orice complicații termice.
LDO-urile sunt unele dintre cele mai vechi și mai utilizate dispozitive de reglare a tensiunii, dar mulți dintre indicatorii lor cheie de performanță nu au o înțelegere aprofundată sau cel puțin potențialul lor nu este exploatat pe deplin. Deși costul este un factor important, utilizarea LDO-urilor este determinată în primul rând de cerințele de performanță ale sistemului și de un nivel acceptabil de interferență din sarcina deservită. LDO-urile sunt, de asemenea, utilizate pentru a reduce zgomotul, precum și pentru a corecta problemele cauzate de interferențele electromagnetice (EMI) și de rutare a plăcilor de circuit.
La sarcini de curent foarte mici, disiparea puterii unui LDO este foarte nesemnificativă; prin urmare, este alegerea evidentă datorită simplității, costului și ușurinței sale de utilizare. În schimb, cu sarcini de curent ridicate de peste 500 mA, alți factori devin mai importanți și, în unele cazuri, sunt cruciale. În aceste aplicații, este important ca dezvoltatorii de sistem să ia în considerare parametrii de performanță, a căror greutate crește cu niveluri de curent mai ridicate, de exemplu tensiunea de abandon, reglarea sarcinii și performanța tranzitorie.
Deoarece LDO-urile sunt un fel de regulator liniar, ele sunt adesea comparate cu regulatoarele liniare convenționale, mai ales în ceea ce privește costul. Trebuie remarcat aici că elementul de trecere este inima unui LDO, iar acesta și circuitele care îl înconjoară determină performanța LDO.
LDO constă din trei elemente funcționale de bază: o tensiune de referință, un element de continuitate și un amplificator de eroare, așa cum se arată în Figura 1. În timpul funcționării normale, elementul de continuitate acționează ca o sursă de curent pentru regulatorul de tensiune. Elementul de trecere este controlat de un semnal de control compensat de la amplificatorul de eroare, care detectează tensiunea de ieșire și o compară cu tensiunea de referință.
Toate aceste blocuri funcționale au un impact asupra performanței LDO. Fișele tehnice de la producătorii LDO conțin întotdeauna specificații care descriu performanța acestor elemente funcționale.
Așa cum se arată în Figura 2, există de obicei patru tipuri diferite de elemente de trecere găsite în proiectele de regulatoare LDO: regulatoare bazate pe tranzistoare NPN, regulatoare bazate pe tranzistoare PNP, bazate pe MOSFET pe canal N și MOSFET pe canal P controler bazat pe.
În general, regulatoarele bazate pe tranzistori sunt caracterizate printr-o tensiune de abandon mai mare comparativ cu regulatoarele bazate pe MOSFET. În plus, curentul de bază al elementului de trecere a tranzistorului unui regulator bazat pe tranzistor este proporțional cu curentul de ieșire. Acest lucru influențează în mod direct curentul de repaus al regulatorului bazat pe tranzistoare. În comparație, elementul de trecere al MOSFET folosește tensiunea de pe poarta izolată pentru a reduce curentul său de repaus considerabil mai mult decât regulatorul bazat pe tranzistoare.
Parametrii importanți în controlerul de abandon scăzut
Tensiunea de abandon: Tensiunea de ieșire este definită ca diferența dintre tensiunile de intrare și ieșire în punctul în care o altă cădere a tensiunii de intrare face ca tensiunea de ieșire să nu funcționeze. În condiția de abandon, elementul de continuitate funcționează în domeniul liniar și se comportă ca un rezistor. În LDO modern, elementul de trecere este de obicei implementat cu PMOS sau NMOS FET-uri, prin care se poate realiza o tensiune de abandon de la 30 mV la 500 mV. Figura 3 arată tensiunea de scădere a modulului LDL ISL80510, care utilizează un PMOS FET ca element de trecere.
Regulă de încărcare: Reglarea sarcinii este definită ca modificarea tensiunii de ieșire pentru o modificare dată a sarcinii. În mod normal, aceasta variază de la sarcină zero la sarcină maximă, determinată de următoarea ecuație 1.
Controlul sarcinii indică performanța elementului de trecere și câștigul în bucla de control DC a controlerului. Cu cât este mai mare câștigul CC în buclă închisă, cu atât este mai bună reglarea sarcinii.
Reglarea liniei: Reglarea liniei este modificarea tensiunii de ieșire pentru o modificare dată a tensiunii de intrare, definită în ecuația 2 de mai jos:
Deoarece controlul de linie depinde și de performanța elementului de trecere și de câștigul de curent continuu al buclei de control, operațiunea de abandonare nu este adesea luată în considerare atunci când se are în vedere controlul de linie. Ca urmare, tensiunea minimă de intrare pentru reglarea liniei trebuie să fie mai mare decât tensiunea de abandon.
Pătrunderea tensiunii de alimentare (PSRR, Power Supply Rejection Ratio): PSRR este o valoare care indică capacitatea LDO de a atenua fluctuațiile tensiunii de ieșire cauzate de tensiunea de intrare, a se vedea Figura 3. În timp ce reglarea liniei este luată în considerare numai pentru curent continuu, PSRR trebuie să aibă trebuie respectată o gamă largă de frecvențe (a se vedea ecuația 3 de mai jos):
Într-un control convențional cu buclă închisă, tensiunea de ieșire a semnalului mic poate fi exprimată după cum este dat în ecuația 4 de mai jos:
În cazul în care V * in este tensiunea mică de intrare a semnalului, Gvg este funcția de transfer în buclă deschisă de la intrare la tensiunea de ieșire, kv este câștigul senzorului de tensiune de ieșire, GC este funcția de transfer a compensatorului, Goc este funcția de transfer în buclă deschisă de la semnalul de control la tensiunea de ieșire și kv GC Goc este funcția de transfer a buclei de control închise T (s).
Ecuațiile 3 și 4 arată clar că PSRR constă din câștigul buclei de control închise T (s) și reciprocă a funcției de transfer a buclei de control deschise de la intrare la tensiunea de ieșire 1/Gvg (vezi figurile 4 și 5). În timp ce la frecvențe mai mici predomină funcția de transfer a buclei de control închise, la frecvențe mai mari funcția de transfer a buclei de control deschis preia.
Alți parametri importanți LDO
Zgomot: Acest parametru se referă în general la zgomotul din tensiunea de ieșire generat de LDO însuși, care este o caracteristică inerentă referinței tensiunii bandgap. Ecuația 4 de mai sus arată relația dintre tensiunea de referință și tensiunea de ieșire. Din păcate, însă, funcția de transfer în buclă închisă nu se aplică pentru suprimarea interferențelor de la tensiunea de referință la tensiunea de ieșire. Din acest motiv, majoritatea LDO-urilor cu zgomot redus necesită un filtru suplimentar pentru a preveni pătrunderea interferențelor în bucla de control.
Raspuns tranzitoriu: LDO-urile sunt de obicei utilizate în aplicații în care controlul la punctul de încărcare (PoL; Point of Load) este important, de exemplu în alimentarea cu circuite integrate digitale, DSP-uri, FPGA-uri și procesoare cu economie de energie. Sarcina în astfel de aplicații funcționează cu mai multe moduri de operare care necesită curenți de alimentare diferiți. Prin urmare, LDO trebuie să reacționeze rapid pentru a menține tensiunea de alimentare în limitele cerute. Acest lucru face ca comportamentul tranzitoriu al unui LDO să fie unul dintre parametrii de performanță decisivi.
Ca și în cazul tuturor buclelor de control închise, răspunsul tranzitoriu depinde în principal de lățimea de bandă a funcției de transfer a buclei de control. Pentru a obține cel mai bun comportament tranzitoriu, lățimea de bandă a buclei de control trebuie să fie cât mai mare posibil, asigurând în același timp suficientă rezervă de fază pentru a menține stabilitatea.
Curent de repaus: Curentul de repaus (sau curent de scurgere) al unui LDO este combinația dintre feedback și curentul de acționare al elementului de trecere; de obicei se păstrează cât mai jos posibil. În plus, dacă PMOS sau NMOS FET sunt utilizate ca elemente de trecere, curentul de repaus rămâne relativ neafectat de curentul de încărcare. Deoarece curentul de repaus nu curge prin ieșire, acesta influențează eficiența LDO, care poate fi calculată din următoarea ecuație 5:
Pierderea de putere în LDO este definită de Vin * (Iq + Iout) - Vout * Iout. Pentru a optimiza eficiența LDO, atât curentul de repaus, cât și diferența dintre tensiunile de intrare și ieșire trebuie reduse la minimum. Această diferență are un efect direct asupra eficienței și a pierderii de putere, astfel încât este preferată în general cea mai mică tensiune de abandon.
Deși un regulator liniar nu poate oferi o conversie de înaltă eficiență în comparație cu o sursă de alimentare cu comutare (SMPS), este utilizat ca regulator de tensiune necesar în multe aplicații moderne. În aplicațiile care sunt sensibile la interferențe, este foarte dificil pentru un SMPS să obțină o ieșire necesară pentru a îndeplini o specificație îngustă de zgomot. Ca urmare, nu este neobișnuit să adăugați un LDO la ieșirea unui SMPS ca filtru activ. Acest LDO trebuie să aibă un PSRR ridicat la frecvența de comutare a sursei de alimentare în modul comutat.
Regulatoarele LDO sunt potrivite în special pentru aplicații a căror tensiune de ieșire trebuie reglată doar sub tensiunea de intrare. În timp ce convertoarele Buck și Boost au limite de aplicare pentru ciclul de funcționare maxim/minim, tensiunea de ieșire își pierde controlul atunci când tensiunea de intrare este aproape de tensiunea de ieșire.
* Sitthipong Angkititrakul este inginer de aplicații,
* Dhananjay Singh este director de marketing produs la Intersil, Milpitas/California.