Regulador de baja caída

Die del LM1117 de baja caída (LDO) lineal regulador de tensión.

Muere del regulador LM2940L

Un regulador de baja caída ( regulador LDO ) es un regulador de voltaje lineal de CC que puede regular el voltaje de salida incluso cuando el voltaje de suministro está muy cerca del voltaje de salida. ^[1]

Las ventajas de un regulador de voltaje de baja caída sobre otros reguladores de CC a CC incluyen la ausencia de ruido de conmutación (ya que no se realiza ninguna conmutación), un tamaño de dispositivo más pequeño (ya que no se necesitan inductores ni transformadores grandes) y una mayor simplicidad de diseño (generalmente consiste en una referencia, un amplificador y un elemento de paso). La desventaja es que, a diferencia de los reguladores de conmutación , los reguladores de CC lineales deben disipar energía y, por lo tanto, calentar a través del dispositivo de regulación para regular la tensión de salida. ^[2]

Historia

El regulador ajustable de baja caída debutó el 12 de abril de 1977 en un artículo de diseño electrónico titulado " Break Loose from Fixed IC Regulators ". El artículo fue escrito por Robert Dobkin , un diseñador de circuitos integrados que entonces trabajaba para National Semiconductor . Debido a esto, National Semiconductor reclama el título de " inventor de LDO ". ^[3] Dobkin luego dejó National Semiconductor en 1981 y fundó Linear Technology, donde fue el director de tecnología. ^[4]

Componentes

Esquema de un regulador de baja deserción

Los componentes principales son un FET de potencia y un amplificador diferencial (amplificador de error). Una entrada del amplificador diferencial monitorea la fracción de la salida determinada por la relación de resistencia de R1 y R2. La segunda entrada al amplificador diferencial proviene de una referencia de voltaje estable ( referencia de banda prohibida ). Si el voltaje de salida aumenta demasiado en relación con el voltaje de referencia, el variador del FET de potencia cambia para mantener un voltaje de salida constante.

Regulación

Los reguladores de baja caída (LDO) funcionan de manera similar a todos los reguladores de voltaje lineal . La principal diferencia entre los reguladores LDO y no LDO es su topología esquemática . En lugar de una topología de seguidor de emisor , los reguladores de baja caída consisten en un colector abierto o una topología de drenaje abierto , donde el transistor puede saturarse fácilmente con los voltajes disponibles para el regulador. Esto permite que la caída de voltaje del voltaje no regulado al voltaje regulado sea tan baja como (limitada a) el voltaje de saturación a través del transistor. ^{[2] : Apéndice A}

Para el circuito dado en la figura de la derecha, el voltaje de salida se da como:

${\displaystyle V_{\text{OUT}}=\left(1+{\frac {R_{1}}{R_{2}}}\right)V_{\text{REF}}}$

Si se utiliza un transistor bipolar , en lugar de un transistor de efecto de campo o JFET , se puede perder una potencia adicional significativa para controlarlo, mientras que los reguladores que no son LDO toman esa potencia de la caída de voltaje en sí. Para voltajes altos con una diferencia de entrada-salida muy baja, habrá una pérdida de potencia significativa en el circuito de control. ^[5]

Debido a que el elemento de control de potencia es un inversor, se requiere otro amplificador inversor para controlarlo, lo que aumenta la complejidad esquemática en comparación con un regulador lineal simple . ^{[ cita requerida ]}

Los FET de potencia pueden ser preferibles para reducir el consumo de energía, pero esto plantea problemas cuando el regulador se usa para voltaje de entrada bajo, ya que los FET generalmente requieren de 5 a 10 V para cerrarse por completo. Los FET de potencia también pueden aumentar el costo.

Eficiencia y disipación de calor

La potencia disipada en el elemento de paso y los circuitos internos ( ) de un LDO típico se calcula de la siguiente manera:${\displaystyle P_{\text{LOSS}}}$

${\displaystyle P_{\text{LOSS}}=\left(V_{\text{IN}}-V_{\text{OUT}}\right)I_{\text{OUT}}+V_{\text{IN}}I_{\text{Q}}}$

donde es la corriente de reposo requerida por el LDO para sus circuitos internos.${\displaystyle I_{\text{Q}}}$

Por lo tanto, se puede calcular la eficiencia de la siguiente manera:

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{IN}}-P_{\text{LOSS}}}{P_{\text{IN}}}}}$    dónde    ${\displaystyle P_{\text{IN}}=V_{\text{IN}}I_{\text{IN}}}$

Sin embargo, cuando la LDO está en plena operación (es decir, corriente a la carga de suministro) en general: . Esto nos permite reducir a lo siguiente:${\displaystyle I_{\text{OUT}}\gg I_{\text{Q}}}$${\displaystyle P_{\text{LOSS}}}$

${\displaystyle P_{\text{LOSS}}=\left(V_{\text{IN}}-V_{\text{OUT}}\right)I_{\text{OUT}}}$

lo que reduce aún más la ecuación de eficiencia a:

${\displaystyle \eta ={\frac {V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}}}$

Es importante tener en cuenta las consideraciones térmicas cuando se utiliza un regulador lineal de baja caída. Tener alta corriente y / o un amplio diferencial entre el voltaje de entrada y salida podría provocar una gran disipación de energía. Además, la eficiencia se verá afectada a medida que se amplíe el diferencial. Dependiendo del paquete , una disipación de energía excesiva podría dañar el LDO o provocar un apagado térmico.

Corriente de reposo

Entre otras características importantes de un regulador lineal está la corriente de reposo , también conocida como corriente de tierra o corriente de suministro, que explica la diferencia, aunque pequeña, entre las corrientes de entrada y salida del LDO, es decir:

${\displaystyle I_{\text{Q}}=I_{\text{IN}}-I_{\text{OUT}}}$

La corriente de reposo es la corriente consumida por el LDO para controlar su circuito interno para un funcionamiento adecuado. El elemento de paso en serie, las topologías y la temperatura ambiente son los principales contribuyentes a la corriente de reposo. ^[6]

Muchas aplicaciones no requieren que un LDO esté en pleno funcionamiento todo el tiempo (es decir, que suministre corriente a la carga). En este estado inactivo, el LDO todavía consume una pequeña cantidad de corriente en reposo para mantener los circuitos internos listos en caso de que se presente una carga. Cuando no se suministra corriente a la carga, se puede encontrar de la siguiente manera:${\displaystyle P_{\text{LOSS}}}$

${\displaystyle P_{\text{LOSS}}=V_{\text{IN}}I_{Q}}$

Filtración

Regulador de  voltaje Torex XC6206 3.3 V LDO en paquete SOT23-3

Además de regular el voltaje, los LDO también se pueden utilizar como filtros . Esto es especialmente útil cuando un sistema utiliza conmutadores , que introducen una ondulación en la tensión de salida que se produce en la frecuencia de conmutación. Si se deja solo, esta ondulación tiene el potencial de afectar negativamente el rendimiento de los osciladores , ^[7] convertidores de datos , ^[8] y los sistemas de RF ^[9] alimentados por el conmutador. Sin embargo, cualquier fuente de energía, no solo los conmutadores, puede contener elementos de CA que pueden ser indeseables para el diseño.

Dos especificaciones que deben tenerse en cuenta al utilizar un LDO como filtro son la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) y el ruido de salida.

Especificaciones

Un LDO se caracteriza por su voltaje de caída, corriente de reposo, regulación de carga, regulación de línea, corriente máxima (que se decide por el tamaño del transistor de paso), velocidad (qué tan rápido puede responder a medida que varía la carga), variaciones de voltaje en la salida debido a transitorios repentinos en la corriente de carga, el condensador de salida y su resistencia en serie equivalente. ^{[10] La} velocidad se indica mediante el tiempo de subida.de la corriente en la salida, ya que varía desde la corriente de carga de 0 mA (sin carga) hasta la corriente de carga máxima. Esto se decide básicamente por el ancho de banda del amplificador de error. También se espera que un LDO proporcione una salida silenciosa y estable en todas las circunstancias (un ejemplo de posible perturbación podría ser: cambio repentino del voltaje de entrada o de la corriente de salida). El análisis de estabilidad puso en marcha algunas métricas de rendimiento para obtener dicho comportamiento e implica la colocación de polos y ceros de forma adecuada. La mayoría de las veces, hay un polo dominante que surge a bajas frecuencias, mientras que otros polos y ceros se empujan a altas frecuencias.

Relación de rechazo de la fuente de alimentación

PSRR se refiere a la capacidad del LDO para rechazar la ondulación que ve en su entrada. ^[11] Como parte de su regulación, el amplificador de error y la banda prohibida atenúan cualquier pico en el voltaje de entrada que se desvíe de la referencia interna con la que se compara. ^[12] En un LDO ideal, el voltaje de salida estaría compuesto únicamente por la frecuencia de CC. Sin embargo, el amplificador de error tiene una capacidad limitada para obtener pequeños picos a altas frecuencias. PSRR se expresa de la siguiente manera: ^[11]

${\displaystyle {\text{PSRR}}={\frac {\Delta V_{\text{IN}}^{2}}{\Delta V_{\text{OUT}}^{2}}}=10\log \left({\frac {\Delta V_{\text{IN}}^{2}}{\Delta V_{\text{OUT}}^{2}}}\right)\,{\text{dB}}}$

Como ejemplo, un LDO que tiene un PSRR de 55 dB a 1 MHz atenúa una ondulación de entrada de 1 mV a esta frecuencia a solo 1,78 µV en la salida. Un aumento de 6 dB en la PSRR equivale aproximadamente a un aumento de la atenuación en un factor de 2.

La mayoría de los LDO tienen un PSRR relativamente alto a frecuencias más bajas (10 Hz - 1 kHz). Sin embargo, un LDO de rendimiento se distingue por tener un alto PSRR en un amplio espectro de frecuencias (10 Hz - 5 MHz). Tener un PSRR alto en una banda ancha permite que el LDO rechace el ruido de alta frecuencia como el que surge de un conmutador. Al igual que en otras especificaciones, el PSRR fluctúa con respecto a la frecuencia, la temperatura, la corriente, el voltaje de salida y el diferencial de voltaje.

Ruido de salida

El ruido del LDO en sí también debe tenerse en cuenta en el diseño del filtro. Al igual que otros dispositivos electrónicos, los LDO se ven afectados por el ruido térmico , el ruido de disparo bipolar y el ruido de parpadeo . ^[9] Cada uno de estos fenómenos contribuye con ruido al voltaje de salida, principalmente concentrado en el extremo inferior del espectro de frecuencia. Para filtrar adecuadamente las frecuencias de CA, un LDO debe rechazar la ondulación en la entrada y al mismo tiempo introducir un ruido mínimo en la salida. Los esfuerzos para atenuar la ondulación del voltaje de entrada podrían ser en vano si un LDO ruidoso simplemente agrega ese ruido nuevamente en la salida.

Regulación de carga

La regulación de carga es una medida de la capacidad del circuito para mantener el voltaje de salida especificado bajo condiciones de carga variables. La regulación de carga se define como:

${\displaystyle {\text{Load Regulation}}={\Delta V_{\text{OUT}} \over \Delta I_{\text{OUT}}}}$

El peor caso de las variaciones de voltaje de salida ocurre cuando la corriente de carga pasa de cero a su valor nominal máximo o viceversa. ^[6]

Regulación de línea

La regulación de línea es una medida de la capacidad del circuito para mantener el voltaje de salida especificado con voltaje de entrada variable. La regulación de línea se define como:

${\displaystyle {\text{Line regulation}}={\Delta V_{\text{OUT}} \over \Delta V_{\text{IN}}}}$

Al igual que la regulación de la carga, la regulación de la línea es un parámetro de estado estable: se descuidan todos los componentes de frecuencia. El aumento de la ganancia de corriente de bucle abierto de CC mejora la regulación de la línea. ^[6]

Respuesta transitoria

La respuesta transitoria es la variación de voltaje de salida máxima permitida para un cambio de paso de corriente de carga. La respuesta transitoria es una función del valor del capacitor de salida ( ), la resistencia en serie equivalente (ESR) del capacitor de salida, el capacitor de derivación ( ) que generalmente se agrega al capacitor de salida para mejorar la respuesta transitoria de carga y la carga máxima -corriente ( ). La variación máxima de voltaje transitorio se define de la siguiente manera:${\textstyle C_{\text{OUT}}}$${\textstyle C_{\text{BYP}}}$${\textstyle I_{\text{OUT,MAX}}}$

${\displaystyle \Delta V_{\text{TR,MAX}}={\frac {I_{\text{OUT,MAX}}}{C_{\text{OUT}}+C_{\text{BYP}}}}\Delta t_{1}+{\Delta V_{\text{ESR}}}}$^[6]

Donde corresponde al ancho de banda de circuito cerrado de un regulador LDO. es la variación de voltaje resultante de la presencia de la ESR ( ) del capacitor de salida. La aplicación determina qué tan bajo debe ser este valor.${\textstyle \Delta t_{1}}$${\textstyle \Delta V_{\text{ESR}}}$${\textstyle R_{\text{ESR}}}$

Ver también

• Regulador lineal
• Regulador de voltaje
• Fuente de alimentación de modo conmutado
• Lista de circuitos integrados lineales
• LM7805

Referencias

1. Paul Horowitz y Winfield Hill (1989). El arte de la electrónica . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 343–349. ISBN 978-0-521-37095-0.
2. Jim Williams (1 de marzo de 1989). "Reguladores lineales de alta eficiencia" . Tecnología lineal . Consultado el 29 de marzo de 2014 .
3. Reguladores de baja caída, reguladores lineales, regulador lineal CMOS
4. Don Tuite (1 de septiembre de 2007). "Inventor actualiza un clásico 30 años después" . Archivado desde el original el 15 de octubre de 2007 . Consultado el 9 de octubre de 2007 .
5. Simpson, Chester. "Fundamentos del regulador de voltaje lineal y de conmutación" . ti.com . Texas Instruments . Consultado el 18 de junio de 2015 .
6. Lee, Bang S. "Comprensión de los términos y definiciones de reguladores de voltaje LDO" . Texas Instruments . Consultado el 30 de agosto de 2013 .
7. Mohammed, Habeeb. "Efecto de ruido de suministro sobre el ruido de fase del oscilador" .
8. Ramus, Xavier. "Medición de PSR en un ADC" .
9. Pithadia, Sanjay. "Desmitificación del ruido LDO" . Instrumentos Texas.
10. Tesis LDO A de bajo voltaje y eficiencia actual por Rincon-Mora
11. Pithadia, Sanjay. "Medición LDO PSRR simplificada" . Instrumentos Texas.
12. Día, Michael. "Comprensión de los reguladores de baja deserción (LDO)" . Instrumentos Texas.

enlaces externos

• Comprensión de los reguladores de baja deserción escolar: conceptos básicos
• Comprensión de los reguladores LDO - TI
• Comprensión del ruido y PSRR en LDO : todo sobre circuitos
• Comprensión del ruido en LDO - TI
• Índice de notas de aplicación de TI LDO - TI