Conexión en paralelo simple de reguladores lineales

Los reguladores lineales ofrecen una solución sencilla y de bajo ruido para el control de CC-CC. Sin embargo, a V_EN-V_OUT la baja eficiencia y la alta disipación de energía de los reguladores lineales limitan la cantidad de corriente de salida que se puede proporcionar de forma realista. La conexión de varios reguladores lineales en paralelo distribuye la carga (y el calor) entre varios circuitos integrados, lo que aumenta el rango útil de corrientes de salida que puede proporcionar una solución. Sin embargo, conectar los reguladores lineales en paralelo no siempre es sencillo.

El reparto de corriente con reguladores lineales no es tradicionalmente tan sencillo como conectar las piezas en paralelo. Dos reguladores lineales basados en una referencia de tensión ajustada a la misma tensión de salida y cuyas salidas están vinculadas no compartirán la corriente por igual. La tensión de salida de un LDO viene determinada por la tensión de referencia multiplicada por un factor de ganancia basado en las resistencias de retroalimentación. Debido a los errores de tolerancia en la referencia de tensión y las resistencias de retroalimentación, las tensiones de salida no coincidirán. Si las salidas no coinciden, los LDO no compartirán la corriente; uno de los LDO suministrará la mayor parte de la corriente hasta que alcance el límite de corriente, el límite térmico, o su salida baje lo suficiente para que el otro LDO empiece a complementar su corriente. Estas tres situaciones presentan dificultades para el funcionamiento del circuito y pueden causar problemas de fiabilidad, lo que puede llevar a un fallo prematuro del LDO sobredimensionado.

Piensa en el LT1763-3.3, un popular regulador lineal PNP robusto de 3,3 V y 500 mA de salida que funciona de 1,8 V a 20 V. Tiene un error máximo de tensión de salida del 1% a temperatura ambiente y del 2,5% por encima de la temperatura.

A plena carga y temperatura elevada, la tensión de salida del LT1763 varía de 3,22V a 3,38V, un rango de 16mV. Al poner en paralelo dispositivos, si una salida LDO está en el valor más alto y la otra en el más bajo, los LDO en paralelo no comparten la corriente; el que tiene la tensión de salida más alta domina en todo el rango de corriente de carga.

Para mejorar la capacidad de compartir la corriente, se pueden añadir resistencias de equilibrado idénticas a la salida de cada regulador, como se muestra en la figura siguiente, pero para una coincidencia estrecha (es decir, del orden del 90%), los valores de las resistencias deben ser lo suficientemente grandes como para que la diferencia de las tensiones de salida de los reguladores pueda compensarse con un pequeño cambio en la corriente de salida.

Por ejemplo, al poner en paralelo dos LDO de 1A con una salida de 3,3V y una tolerancia del 3%, el peor escenario de tensión de salida es aquel en el que un LDO (nº 1) tiene una salida de 3,4V y el otro (nº 2) está a 3,2V. Con una resistencia de equilibrado de 2Ω, sólo se necesitan 100mA de corriente de salida adicional a través de la resistencia de equilibrado del LDO nº 1 para equilibrar las dos tensiones (el LDO de salida de mayor tensión proporciona más corriente). Una vez que proporciona 100mA adicionales, la caída extra a través de la resistencia de equilibrio hace que las dos tensiones de salida coincidan y los LDOs compartan la corriente. Esto permite una división ajustada de la corriente (sólo un 10% de diferencia a la corriente de carga máxima). Sin embargo, la caída de tensión en las resistencias de equilibrado de corriente es demasiado grande a plena carga (1,1A* 2Ω = 2,2V de caída).

Se pueden añadir circuitos de detección de corriente (resistencias de detección de corriente y un amplificador) a la entrada o a la salida (o a los pines limitadores de corriente si el amplificador tiene esta función) para equilibrar las corrientes y mantener una tensión de salida correcta, pero los circuitos externos aumentan el coste y requieren espacio adicional en la placa.

Otro método es utilizar LDOs que tengan un límite de corriente ajustable, como se muestra en el ejemplo del LT3065 que aparece a continuación (el LT3065 es una entrada de 1,8V a 45V, salida de 500mA, 25µV_RMS un regulador lineal con un límite de corriente de precisión programable del 10%). Se utiliza un bucle de retroalimentación para igualar los dos límites de corriente ajustando la tensión de salida de uno de los amplificadores. Al igual que en el ejemplo anterior, se necesita un amplificador externo y resistencias de ajuste de corriente para su funcionamiento.

El LT3081 es un ejemplo de regulador lineal que resuelve este problema de forma muy sencilla y única. El LT3081 es un LDO de salida de 1,5 A que forma parte de una familia única de reguladores lineales positivos y negativos con una fuente de referencia de corriente. Los dispositivos son fáciles de poner en paralelo y comparten muy bien la corriente. Estos reguladores de salida positiva tienen un rango de tensión de entrada de hasta 40V y proporcionan corrientes de salida de 0,2A a 3A.

A continuación se muestra un esquema simplificado del LT3081. En lugar de una referencia de tensión, el LT3081 utiliza una referencia basada en una fuente de corriente. Esta corriente se conduce a través de una resistencia externa RSET para fijar el valor de la tensión de referencia. Dependiendo de la resistencia seleccionada, el valor de referencia puede ajustarse a cero voltios; no se necesita ninguna resistencia de retroalimentación adicional.

Otra clave es la ajustada distribución de la corriente del pin SET, como se muestra a continuación. Esto proporciona una especificación de tensión de offset máxima muy baja de ±1,5mV desde la V_SET al pin de salida a temperatura ambiente.

Se consigue una mayor corriente de salida poniendo en paralelo varios LT3081. Une las clavijas individuales de SET y une las clavijas individuales de IN. Conecta las salidas entre sí utilizando pequeños trozos de cinta de PC como resistencias de lastre para promover un reparto equitativo de la corriente. La resistencia del trazado del PC en miliohmios/pulgada se muestra en la Tabla 1. El lastre sólo requiere una zona muy pequeña en la placa de circuito impreso.

El desplazamiento a temperatura ambiente, en el peor de los casos, de sólo ±1,5mV entre los pines SET y OUT, permite utilizar resistencias de lastre muy pequeñas. Como se muestra en la figura siguiente, cada LT3081 utiliza una pequeña resistencia de lastre de 10mΩ, que a plena corriente de salida da una división de la corriente igualada de más del 80%. La resistencia externa de 10mΩ (5mΩ para ambos dispositivos en paralelo) sólo añade unos 15mV de caída de regulación de salida a una salida de 3A. Incluso con una tensión de salida tan baja como 1V, esto sólo añade un 1,5% a la regulación. Por supuesto, al poner en paralelo más de dos LT3081 se obtiene una corriente de salida aún mayor. Repartir los dispositivos por la placa de circuito impreso también reparte el calor. Las resistencias de entrada en serie pueden distribuir el calor aún más si el diferencial de tensión de entrada-salida es grande.

Para mayor comodidad, el LT3080 de 1,1A está disponible en una versión LT3080-1 que incorpora la resistencia de lastre. La familia de amplificadores de detección de corriente de Linear Technology ofrece una plétora de otras funciones útiles entre los dispositivos, como la supervisión de la corriente de salida, la supervisión de la temperatura de la unión del chip, el apagado, la protección contra la corriente inversa y la inversión de la batería. Con todos estos dispositivos, los problemas asociados a los LDO en paralelo son cosa del pasado.