Podstawy regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO)

Nowoczesne urządzenia elektroniczne są coraz mniejsze i bardziej mobilne. Smartwatche, monitory aktywności fizycznej, systemy zabezpieczeń i urządzenia Internetu rzeczy (IoT) coraz częściej są zasilane z baterii. Z tego względu wymagają one regulatorów zasilających o wysokiej sprawności, które są w stanie wykorzystać każdy miliwat mocy z każdego ładowania, wydłużając czas pracy urządzenia. Muszą one również charakteryzować się minimalnym wzrostem temperatury podczas pracy. Osiągnięcie sprawności wymaganych przez wspomniane urządzenia przenośne nie jest łatwe przy użyciu tradycyjnych regulatorów liniowych i regulatorów impulsowych. Ponadto zasilające regulatory impulsowe stwarzają problemy w postaci zakłóceń i napięciowych stanów nieustalonych.

Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) to nowa opcja dostępna obok regulatorów liniowych oraz impulsowych. Pracują one przy bardzo niskich spadkach napięcia na regulatorze, co podnosi sprawność i zmniejsza rozpraszane ciepło. Warianty regulatorów LDO mogą być używane w zastosowaniach niskiej i średniej mocy. Zamknięte są w niewielkich obudowach zaledwie 3 × 3 x 0,6mm. Dostępne są wersje z ustalonymi lub nastawnymi napięciami wyjściowymi, a niektóre z nich posiadają sterowanie włączaniem i wyłączaniem za pomocą wyjściowej linii włączania.

W artykule omówiono podstawy regulatorów napięcia o niskim spadku i ich kluczowe cechy w porównaniu do tradycyjnych regulatorów liniowych i zasilających regulatorów impulsowych. Następnie przedstawiono rzeczywiste regulatory LDO firmy Diodes Incorporated i sposób ich stosowania.

Czym jest regulator napięcia o niskim spadku (LDO)?

Funkcja regulatora napięcia polega na utrzymywaniu stałego napięcia wyjściowego wobec zmian obciążenia i napięcia źródłowego. Tradycyjne regulatory napięcia mają postać obwodów liniowych lub impulsowych. Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) należą do klasy regulatorów liniowych, jednak działają przy bardzo niskich napięciach pomiędzy zaciskami wejściowymi i wyjściowymi. Tak samo, jak wszystkie liniowe regulatory napięcia, regulator LDO bazuje na pętli sterującej sprzężenia zwrotnego (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Regulator napięcia o niskim spadku (LDO) bazuje na obwodzie sprzężenia zwrotnego sterowanym napięciem. Szeregowe urządzenie przepustowe może mieć postać tranzystora PMOS, NMOS lub bipolarnego PNP i działa jak rezystor sterowany napięciem. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Regulator LDO mierzy napięcie wyjściowe za pomocą rezystancyjnego dzielnika napięcia, który skaluje poziom wyjściowy. Wyskalowane napięcie wyjściowe podawane jest na wzmacniacz błędu, gdzie jest porównywane z napięciem referencyjnym. Wzmacniacz błędu steruje szeregowym urządzeniem przepustowym w celu utrzymania żądanego napięcia na zacisku wyjściowym. Różnica pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym stanowi spadek napięcia, który występuje na urządzeniu przepustowym.

Szeregowe urządzenie przepustowe w regulatorze LDO działa jak rezystor sterowany napięciem. Szeregowym urządzeniem przepustowym może być metalowo-tlenkowy element półprzewodnikowy z kanałem P (PMOS), metalowo-tlenkowy element półprzewodnikowy z kanałem N (NMOS) lub tranzystor bipolarny PNP. Urządzeniami PMOS i PNP można sterować do stanu nasycenia, co minimalizuje spadek napięcia. W przypadku tranzystorów polowych FET PMOS spadek napięcia jest w przybliżeniu równy iloczynowi rezystancji kanału w stanie włączenia (RDSON) i prądu wyjściowego. Każde z tych urządzeń ma swoje wady i zalety, jednak metalowo-tlenkowy element półprzewodnikowy z kanałem P (PMOS) charakteryzuje się najniższym kosztem wdrożenia. Seria AP7361EA regulatorów LDO z dodatnim wyjściem firmy Diodes Incorporated wykorzystuje urządzenie przepustowe PMOS i pozwala uzyskać spadek napięcia około 360mV dla wyjścia 3,3V przy prądzie obciążeniowym 1A oraz dokładność napięcia ±1% (ilustracja 2).

Wykres spadku napięcia w funkcji prądu wyjściowego wykazuje stałe nachylenie dla poszczególnych temperatur, co wskazuje na jego rezystancyjną naturę. Spadek napięcia jest w pewnym stopniu zależny od temperatury - zwiększa się z jej wzrostem. Należy zauważyć, że spadek napięcia na regulatorze LDO jest znacznie niższy w porównaniu z konwencjonalnym liniowym regulatorem zasilania, gdzie wynosi około 2V.

Zwróćmy uwagę, że kondensator wyjściowy na ilustracji 1 został ukazany wraz z efektywną rezystancją szeregową (ESR), która wpływa na stabilność regulatora. Aby zagwarantować stabilność w pełnym zakresie temperatur od -40° do +85°C, należy dobrać kondensator, którego równoważna rezystancja szeregowa (ESR) jest niższa od 10Ω. Do zalecanych typów kondensatorów zaliczają się wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC), kondensatory aluminiowo-polimerowe z elektrolitem stałym (E-CAP) oraz kondensatory tantalowe o pojemnościach powyżej 2,2µF.

Prąd spoczynkowy IQ oznacza prąd pobierany ze źródła zasilania przez regulator LDO bez obciążenia. Prąd spoczynkowy zapewnia zasilanie dla obwodów wewnętrznych regulatora LDO, takich jak wzmacniacz błędu i dzielnik napięcia wyjściowego. W urządzeniach z zasilaniem bateryjnym prąd spoczynkowy wpływa na tempo rozładowywania baterii i zasadniczo powinien być możliwie najmniejszy. Seria AP7361EA firmy Diodes Incorporated charakteryzuje się typową wartością IQ równą 68µA.