Cómo implementar con éxito reguladores de bajo rendimiento

Un regulador de caída baja (LDO) es capaz de mantener su voltaje de salida especificado en una amplia gama de corrientes de carga y voltajes de entrada, hasta una diferencia muy pequeña entre los voltajes de entrada y salida. Esta diferencia, conocida como voltaje de caída o requisito de margen, puede ser tan baja como 80 mV a 2 A. El regulador de caída ajustable de salida baja¹ llamó la atención del público por primera vez en 1977. Hoy en día, los dispositivos portátiles a menudo requieren hasta 20 controladores lineales de baja caída. Muchos LDO en dispositivos portátiles hoy en día están integrados en circuitos integrados de administración de energía multifunción² (PMIC): sistemas altamente integrados con 20 o más dominios de energía para audio, carga de baterías, mantenimiento, iluminación, comunicaciones y otras funciones.

Sin embargo, a medida que los sistemas portátiles se expanden rápidamente, el PMIC integrado no puede satisfacer los requisitos de alimentación de los periféricos. Los LDO dedicados deben agregarse en las etapas posteriores del desarrollo del sistema para alimentar elementos opcionales como módulos de cámara, Bluetooth, WiFi y otros módulos adicionales. Los LDO también se han utilizado como curitas para la reducción de ruido, para resolver problemas de regulación de voltaje debido a la interferencia electromagnética (EMI) y el enrutamiento de la placa de circuito impreso (PCB), y para mejorar la eficiencia del sistema al deshabilitar funciones innecesarias.

Este artículo revisa la topología básica de LDO, explica las especificaciones principales y muestra la aplicación de los reguladores de baja tensión en los sistemas. Se darán ejemplos utilizando las características de diseño de la familia LDO Analog Devices³.

Arquitectura LDO básica⁴. Un LDO consta de una referencia de voltaje, un amplificador de error, un divisor de voltaje de retroalimentación y un transistor de paso, como se muestra en la Figura 1. La corriente de salida se proporciona a través del dispositivo de paso. Su voltaje de compuerta está controlado por el amplificador de error, que compara el voltaje de referencia con el voltaje de retroalimentación, amplificando la diferencia para reducir el voltaje de error. Si el voltaje de retroalimentación es más bajo que el voltaje de referencia, la compuerta del transistor de paso baja, permitiendo que fluya más corriente y aumentando el voltaje de salida. Si el voltaje de retroalimentación es más alto que el voltaje de referencia, la puerta del transistor de paso se eleva, lo que limita el flujo de corriente y reduce el voltaje de salida.

La dinámica de este sistema de bucle cerrado se basa en dos polos principales: el polo interior formado por el amplificador de error/transistor de paso y el polo exterior formado por la impedancia de salida del amplificador y la resistencia en serie equivalente (ESR) del condensador de salida. . La capacitancia de salida y su ESR afectan la estabilidad del lazo y la respuesta a cambios transitorios en la corriente de carga. Se recomienda una ESR de 1 ohm o menos para garantizar la estabilidad. Además, los LDO requieren condensadores de entrada y salida para filtrar el ruido y controlar los transitorios de carga. Los valores más altos mejoran la respuesta transitoria del LDO, pero aumentan el tiempo de arranque. Los LDO de Analog Devices están diseñados para ser estables en las condiciones de funcionamiento especificadas cuando se utilizan los condensadores especificados.

Eficiencia LDO. El aumento de la eficiencia es una demanda constante del ingeniero de diseño. Esto da como resultado una corriente de reposo reducida (Iq) y una caída de voltaje directo.

Con Iq en el denominador, es claro que cuanto mayor sea el Iq, menor será el resultado. Los LDO actuales tienen un Iq relativamente bajo y, por simplicidad, Iq puede despreciarse en los cálculos de eficiencia si Iq es muy pequeño en comparación con ILOAD. Entonces la eficiencia de LDO es solo (Vo/Vin)*100%. Dado que el LDO no tiene forma de almacenar cantidades significativas de energía no utilizada, la energía que no se suministra a la carga se disipa como calor en el LDO.

Proporcionando un voltaje de suministro estable independientemente de las variaciones de carga y línea, los cambios de temperatura ambiente y el paso del tiempo, los LDO son más eficientes con pequeñas diferencias entre el voltaje de suministro y el voltaje de carga. Por ejemplo, cuando una batería de iones de litio pasa de 4,2 V (totalmente cargada) a 3,0 V (descargada), un LDO de 2,8 V conectado a la batería mantendrá un voltaje de carga constante de 2,8 V (caída de voltaje inferior a 200 mV), pero su eficiencia aumentaría del 67% con la batería completamente cargada al 93% con la batería descargada.

Para mejorar la eficiencia, los LDO se pueden conectar a un riel de voltaje intermedio generado por un regulador de conmutación de alta eficiencia. Con un regulador de conmutación de 3,3 V, por ejemplo, la eficiencia de LDO sería constante al 85 % y la eficiencia general del sistema sería del 81 %, suponiendo una eficiencia del 95 % para el regulador de conmutación.

Las características del circuito mejoran el rendimiento de LDO: Una entrada de habilitación permite el control externo de la activación y desactivación de LDO, lo que permite que las fuentes de alimentación se secuencien correctamente en sistemas de rieles múltiples. El arranque suave limita la corriente de irrupción y controla el tiempo de aumento del voltaje de salida durante el encendido. Un estado de suspensión reduce el consumo de energía, especialmente útil en sistemas alimentados por batería, al tiempo que permite un encendido rápido. El apagado térmico desactiva el LDO si su temperatura supera el valor especificado. La protección contra sobrecorriente limita la corriente de salida y la disipación de energía del LDO. El bloqueo por subtensión desactiva la salida cuando la tensión de alimentación cae por debajo del valor mínimo especificado. La Figura 2 muestra un sistema de energía simplificado típico para diseños portátiles.

Comprensión de los requisitos del regulador lineal

LDO para cargas digitales: Los controladores lineales digitales, como el ADP170 y el ADP1706, están diseñados para satisfacer las necesidades digitales primarias del sistema, generalmente el núcleo del microprocesador del sistema y los circuitos de entrada/salida (E/S). Los LDO para DSP y microcontroladores deben operar con buena eficiencia y manejar corrientes que cambian rápidamente. Los nuevos requisitos de las aplicaciones ejercen una enorme presión sobre el LDO digital, ya que los núcleos de los procesadores suelen cambiar la velocidad del reloj para ahorrar energía. Debido al cambio en la velocidad del reloj, en respuesta a la carga inducida por software, se requiere estrictamente la capacidad de control de carga LDO.

Las características importantes de las cargas digitales son la regulación de la línea y la carga y el sobreimpulso y el sobreimpulso transitorio. Cuando se alimentan núcleos de microprocesadores de bajo voltaje, el control de salida preciso siempre es muy importante; una regulación insuficiente puede permitir que el núcleo se bloquee. Los parámetros anteriores no siempre se muestran en una hoja de datos, y los gráficos de respuesta transitoria pueden mostrar una tasa optimista de subida y bajada en respuesta a las señales transitorias. La regulación de línea y carga se expresa de dos maneras: la desviación porcentual del voltaje de salida con el cambio de carga, los valores reales de V/I o ambos a una corriente de carga dada.

Para ahorrar energía, los LDO digitales están diseñados con un Iq bajo para aumentar la vida útil de la batería, y los sistemas portátiles tienen largos períodos de funcionamiento con bajo consumo de energía cuando el software está inactivo. Durante los períodos de inactividad, los sistemas se duermen, lo que hace que el LDO se apague y consuma menos de 1 µA. Cuando el LDO está en modo de suspensión, todos los circuitos, incluida la referencia de banda prohibida, están desactivados. Cuando el sistema vuelve al modo activo, se requieren tiempos de encendido rápidos y el voltaje de suministro digital no debe ser demasiado alto. Puede bloquear el sistema con overclocking, lo que a veces requiere quitar la batería o presionar el botón de reinicio maestro para corregir el problema y reiniciar el sistema.

LDO para cargas analógicas y RF: El bajo nivel de ruido y el alto rechazo de la fuente de alimentación (PSR), como ADP121 y ADP130, son importantes para los LDO que se utilizan en el entorno analógico porque los dispositivos analógicos son más susceptibles al ruido que los dispositivos digitales. Los requisitos de LDO analógico están determinados principalmente por los requisitos de la interfaz inalámbrica: "No dañe el receptor o el transmisor y no cree un chasquido o un zumbido en el sistema de audio". » La conexión inalámbrica es muy sensible al ruido y el rendimiento del receptor puede verse reducido si el ruido interfiere con la señal. Al considerar un controlador lineal analógico, es importante que el dispositivo elimine el ruido de las fuentes ascendentes y las cargas descendentes, sin agregar ruido adicional.

El ruido de un controlador analógico se mide en voltios rms y PSR, su capacidad para suprimir el ruido ascendente. Agregar un filtro externo o un condensador de derivación puede reducir el ruido, pero aumenta el costo y el tamaño. La reducción de ruido y el rechazo de ruido de la fuente de alimentación también se pueden lograr mediante el cuidado y el ingenio del diseño interno del LDO. Al seleccionar LDO, es importante considerar las especificaciones del producto frente al rendimiento general requerido para cada sistema.

Especificaciones LDO y definiciones clave

Notar: Las especificaciones en la portada de las hojas de datos de los fabricantes son resúmenes breves, a menudo presentados de una manera que resalta las características atractivas del dispositivo. Los parámetros clave a menudo enfatizan las características de rendimiento típicas, que se pueden entender mejor mirando las especificaciones y otros detalles en el cuerpo del documento. Además, dado que existe poca estandarización entre los fabricantes en la forma en que se presentan las especificaciones, los diseñadores de fuentes de alimentación deben comprender la definición y la metodología utilizadas para definir los parámetros clave enumerados en la tabla de especificaciones eléctricas. El diseñador del sistema debe prestar mucha atención a los parámetros clave, como el rango de temperatura ambiente y de la unión, la información gráfica, las escalas XY, las cargas, los tiempos de subida y bajada de la señal transitoria y el ancho de banda. Aquí enumeramos una discusión de parámetros importantes relacionados con la caracterización e implementación de dispositivos analógicos LDO.

Rango de voltaje de entrada: El rango de voltaje de entrada LDO determina el voltaje de suministro de entrada utilizable más bajo. Las especificaciones pueden establecer una amplia gama de voltajes de entrada, pero el voltaje de entrada más bajo debe ser mayor que el voltaje de caída más el voltaje de salida deseado. Por ejemplo, una caída de 150 mV significa que el voltaje de entrada debe estar por encima de 2,95 V para una salida controlada de 2,8 V. Si el voltaje de entrada cae por debajo de 2,95 V, el voltaje de salida caerá por debajo de 2,8 V.

Corriente de tierra (reposo): La corriente de reposo, Iq, es la diferencia entre la corriente de entrada, IIN, y la corriente de carga, IOUT, medida a la corriente de carga especificada. Para reguladores de voltaje constante, Iq es igual a la corriente de tierra, Ig. Para reguladores de voltaje ajustables, como el ADP171⁵la corriente de reposo es la corriente de tierra menos la corriente de la red divisora ​​de resistencia externa.

semental actual: La corriente de entrada consumida cuando el dispositivo estaba apagado. Por lo general, menos de 1,0 µA para LDO portátiles, esta especificación es importante para la duración de la batería durante largos períodos de espera cuando el dispositivo portátil está apagado.

Precisión del voltaje de salida: Los LDO de Analog Devices están diseñados para una alta precisión de voltaje de salida; vienen ajustados de fábrica a ±1% a 25°C. La precisión del voltaje de salida se especifica sobre los rangos de temperatura de funcionamiento, voltaje de entrada y corriente de carga; el error se especifica como ±x% peor de los casos.

Control de línea: La regulación de línea es un cambio en el voltaje de salida por un cambio en el voltaje de entrada. Para evitar imprecisiones debido a cambios en la temperatura del chip, la medición se realiza en condiciones de baja disipación de energía o utilizando técnicas de pulso.

Regulación de carga dinámica: La mayoría de los LDO pueden mantener el voltaje de salida casi constante mientras la corriente de carga cambia lentamente. Sin embargo, cuando la corriente de carga cambia rápidamente, el voltaje de salida cambia. La cantidad de cambio en el voltaje de salida cuando se somete a cambios en la corriente de carga define el rendimiento transitorio de la carga.

Caída de presión: La caída se refiere a la diferencia más pequeña entre los voltajes de entrada y salida necesarios para mantener la regulación. Es decir, un LDO puede mantener constante el voltaje de salida a medida que se reduce la entrada hasta que la entrada alcanza el voltaje de salida más el voltaje de salida, momento en el que la salida "cae" de la regulación. El voltaje de caída debe ser lo más bajo posible para minimizar la disipación de energía y maximizar la eficiencia. Normalmente, se considera que se ha alcanzado un bloqueo cuando la tensión de salida ha caído a 100 mV por debajo de su valor nominal. La carga actual y la temperatura de unión pueden afectar la caída de voltaje. El voltaje máximo de caída debe especificarse en todo el rango de temperatura de funcionamiento y la corriente de carga.

Hora de inicio: El tiempo de inicio se define como el tiempo entre el flanco ascendente de la señal de habilitación en VOUT que alcanza el 90% de su valor nominal. Esta prueba generalmente se realiza con el VIN aplicado mientras el pin de habilitación está separado. Nota: En algunos casos en los que la habilitación está conectada al VIN, el tiempo de inicio puede aumentar significativamente porque lleva tiempo estabilizar la referencia de banda prohibida. El tiempo de inicio del controlador es una consideración importante para las aplicaciones en las que el controlador está apagado y, a menudo, para ahorrar energía en sistemas portátiles.

Umbral fronterizo actual: El umbral de límite de corriente se define como la corriente de carga a la que la tensión de salida cae al 90 % del valor típico especificado. Por ejemplo, el límite de corriente para un voltaje de salida de 3,0 V se define como la corriente que reduce el voltaje de salida al 90 % de 3,0 V o 2,7 V.

Rango de temperatura de funcionamiento: El rango de temperatura de funcionamiento se puede especificar mediante la temperatura ambiente y la temperatura de unión. Debido a que los LDO disipan el calor, el IC siempre funcionará por encima de la temperatura ambiente. Más que la temperatura ambiente dependiendo de las condiciones de operación y el diseño térmico de la placa de circuito. La temperatura máxima de unión (TJ) se especifica porque el funcionamiento por encima de la temperatura máxima de unión durante largos períodos de tiempo puede afectar la confiabilidad del dispositivo, que se expresa estadísticamente como tiempo medio hasta la falla (MTTF).

Apagado térmico (TSD): La mayoría de los LDO tienen termostatos de silicona para proteger el IC de la fuga térmica. Se utilizan para encender el LDO si la temperatura de la unión supera el umbral de apagado térmico especificado. La histéresis es necesaria para permitir que el LDO se enfríe antes de reiniciar. El TSD es importante porque cuesta más que el LDO solo; el calor excesivo afecta más que solo el controlador. El calor conducido desde el LDO a la PCB (o al LDO desde los elementos más calientes de la placa) puede dañar el material de la PCB y las conexiones de soldadura con el tiempo, y también dañar los componentes cercanos, lo que reduce la vida útil del dispositivo portátil. Además, el apagado térmico afecta la confiabilidad del sistema. El diseño térmico para controlar la temperatura de la placa (disipación de calor, enfriamiento, etc.) es, por lo tanto, una consideración importante del sistema.

Habilitar entrada: Un LDO, propuesto en lógica positiva y negativa, permite encender y apagar el dispositivo. La lógica activa alta activa el dispositivo cuando el voltaje de habilitación excede el umbral alto lógico. La lógica activa-baja activa el dispositivo cuando la tensión de activación es inferior al umbral lógico bajo. La entrada de habilitación permite el control externo de la activación y desactivación de LDO, una característica importante en la secuenciación de la fuente de alimentación en sistemas de rieles múltiples. Algunos LDO tienen tiempos de inicio mucho más bajos porque su referencia de banda prohibida está activada cuando el LDO está desactivado, lo que permite que el LDO se active más rápido.

Bloqueo bajo tensiones básicas: El bloqueo por bajo voltaje (UVLO) garantiza que solo se suministre voltaje a la carga cuando el voltaje de entrada del sistema esté por encima de un umbral especificado. UVLO es importante porque evita que el dispositivo se encienda excepto cuando el voltaje de entrada es igual o superior al que requiere el dispositivo para un funcionamiento estable.

Ruido de salida: La fuente de ruido es la referencia de voltaje de banda prohibida interna del LDO, generalmente especificada en microvoltios rms sobre un ancho de banda determinado. Por ejemplo, el ADP121 tiene un ruido de salida de 40 µV rms de 10 kHz a 100 kHz a un VOUT de 1,2 V. Al comparar las especificaciones de la hoja de datos, el ancho de banda especificado y las condiciones de funcionamiento son consideraciones importantes.

Negativa a alimentar: PSR, expresado en decibelios, es una medida de la capacidad del LDO para rechazar la ondulación de la potencia de entrada en un amplio rango de frecuencia (1 kHz a 100 kHz). En LDO, el PSR se puede definir en dos bandas de frecuencia. La banda 1 es de CC a la frecuencia de ganancia unitaria del bucle de control; El PSR está definido por la ganancia de bucle abierto del regulador. La banda 2 está por encima de la frecuencia de ganancia unitaria; El circuito de retroalimentación no tiene efecto en el PSR. Aquí, el PSR está definido por la salida y todas las rutas de fuga desde la entrada hasta los pines de salida. Seleccionar una capacitancia de salida de alto valor apropiada generalmente mejorará el PSR en esta última banda. En la Banda 1, el diseño de circuito patentado de Analog Devices minimiza los cambios de PSR debido a las variaciones de voltaje de entrada y carga. Para rechazar la mejor fuente de alimentación, se debe considerar el diseño de PCB para reducir las fugas de entrada a salida, y la conexión a tierra debe ser sólida.

Capacidad mínima de entrada y salida: La capacitancia mínima de entrada y salida debe ser mayor que la especificada en toda la gama de condiciones de funcionamiento, en particular, el voltaje y la temperatura de funcionamiento. Debe tenerse en cuenta la gama completa de condiciones de funcionamiento de la aplicación al seleccionar el dispositivo para garantizar que se cumpla la especificación de capacidad mínima. Se recomiendan condensadores tipo X7R y X5R; No se recomienda el uso de condensadores Y5V y Z5U con LDO.

Función de protección de corriente inversa: Un LDO típico con un dispositivo de paso PMOS tiene un diodo de cuerpo interno entre VIN y VOUT. Cuando VIN es mayor que VOUT, este diodo tiene polarización inversa. Si VOUT es mayor que VIN, el diodo interno se polariza directamente y envía corriente de VOUT a VIN, lo que puede causar una disipación de energía destructiva. Algunos LDO, como el ADP1740/ADP1741, tienen circuitos adicionales para proteger contra el flujo inverso de VOUT a VIN. El circuito de protección de corriente inversa detecta cuando VOUT es mayor que VIN e invierte la dirección de la conexión interna del diodo, polarizando inversamente el diodo.

Comienzo suave: Un arranque suave programable es útil para reducir la corriente de irrupción de arranque y proporcionar una secuencia de voltaje. Para aplicaciones que requieren una corriente de irrupción controlada en el arranque, los LDO como el ADP1740/ADP1741 proporcionan una función de arranque suave (SS) programable. Para implementar un arranque suave, se conecta un pequeño capacitor cerámico de SS a GND.

Conclusión

Los LDO realizan una función crítica. Aunque su concepto es simple, se deben tener en cuenta muchos factores a la hora de implementarlos. Este artículo revisó la topología LDO básica y explicó las principales especificaciones y aplicaciones de los reguladores de caída de voltaje en los sistemas. Hay mucha información útil en las fichas técnicas. Más información (guía de selección, hojas de datos, notas de aplicación, así como formas de obtener ayuda humana) está disponible en administración de energía⁶ sitio web. ADIsimPower también está disponible^™la herramienta de diseño de administración de energía de CC a CC más rápida y precisa^Siete.

Referencias

¹ Dobkin, R., "Partiendo de controladores IC fijos", Diseño electrónico12 de abril de 1977.

²

³

⁴ Patoux, J., Reguladores de caída baja (Pregunte al ingeniero de aplicaciones-37), Diálogo analógico 41-2 (2007), pág. 8-10.

⁵ La información sobre todos los componentes de ADI está disponible en www.analog.com.

⁶

^Siete