Základy regulátorů LDO a jak je používat k prodloužení životnosti baterií v přenosné a nositelné elektronice

Moderní elektronická zařízení jsou stále menší a přenosnější. Chytré hodinky, fitness náramky, bezpečnostní systémy a zařízení internetu věcí (IoT) jsou ve stále větší míře napájeny bateriemi. Jako takové vyžadují vysoce účinné regulátory výkonu, které z každého nabití vydolují každý miliwatt energie, aby zařízení fungovalo déle. Musí také pracovat s minimálním nárůstem teploty. Tradiční lineární regulátory a spínané regulátory výkonu nemohou dosáhnout účinnosti požadované pro tato přenosná zařízení snadno. Navíc spínané regulátory výkonu trpí také šumem a přechodovým napětím.

Regulátor s nízkým úbytkem napětí („low-dropout voltage regulator“, LDO), nejnovější přírůstek v řadě lineárních a spínaných regulátorů, těží ke zlepšení účinnosti a snížení tepelného rozptylu z provozu s velmi nízkými poklesy napětí na regulátoru. Různé varianty regulátorů LDO jsou vhodné pro aplikace s nízkým až středním výkonem, pro které mohou být dodávány v pouzdrech o velikosti 3 × 3 × 0,6 mm. K dispozici jsou verze s pevným nebo nastavitelným výstupním napětím, stejně jako některé verze s ovládáním zapnutí/vypnutí pomocí linky aktivace výstupu.

V tomto článku jsou zkoumány základy regulátorů s nízkým úbytkem a jejich klíčové vlastnosti ve vztahu k tradičním lineárním a spínaným regulátorům výkonu. Poté jsou zde představena zařízení LDO reálného světa od společnosti Diodes Incorporated a je zde ukázáno, jak jsou aplikovány.

Co je regulátor LDO?

Funkcí regulátoru napětí je udržovat konstantní výstupní napětí při změnách napětí zátěže a zdroje. Tradiční obvody regulátorů napětí používají buď lineární, nebo spínané provedení. Regulátory LDO patří do třídy lineárních regulátorů, ale pracují s velmi nízkým napětím mezi vstupními a výstupními svorkami. Stejně jako všechny lineární regulátory napětí je i regulátor LDO založen na zpětnovazební řídicí smyčce (obrázek 1).

Obrázek 1: Regulátor LDO je založen na napěťově řízeném zpětnovazebním obvodu. Sériově průchozí zařízení, kterým může být bipolární tranzistor PMOS, NMOS nebo PNP, funguje jako rezistor řízený napětím. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Regulátor LDO snímá výstupní napětí přes odporový dělič napětí, který škáluje výstupní úroveň. Škálované výstupní napětí se aplikuje na chybový zesilovač, kde se porovnává s referenčním napětím. Chybový zesilovač řídí sériově průchozí zařízení, aby na výstupní svorce udrželo požadované napětí. Rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím je úbytkové napětí, které se objeví na průchozím zařízení.

Sériově průchozí zařízení funguje v regulátoru LDO jako rezistor s proměnným napětím. Sériově průchozím zařízením může být metaloxidový polovodičový tranzistor s kanálem typu P („P-channel metal oxide semiconductor“, PMOS), metaloxidový polovodičový tranzistor s kanálem typu N („N-channel metal oxide semiconductor“, NMOS) nebo bipolární tranzistor PNP. Zařízení PMOS a PNP lze uvést do saturace, čímž se minimalizuje úbytek napětí. V případě tranzistoru PMOS řízeného elektrickým polem („field effect transistor“, FET) je úbytek napětí rovný přibližně odporu kanálu při zapnutí (R_DSON) krát výstupní proud. Zatímco každé z těchto zařízení má své výhody a nevýhody, ukázalo se, že zařízení PMOS vykazuje nejnižší náklady na implementaci. Řada AP7361EA regulátorů LDO s kladným výstupem společnosti Diodes Incorporated využívá průchozí zařízení PMOS a dosahuje úbytku napětí asi 360 mV pro 3,3voltový výstup při zatěžovacím proudu 1 A a přesnosti napětí ±1 % (obrázek 2).

Obrázek 2: Znázorněny jsou grafy úbytku napětí 3,3voltového regulátoru LDO řady AP7361EA jako funkce výstupního proudu při třech různých teplotách. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Graf úbytku napětí jako funkce výstupního proudu ukazuje konstantní sklon pro jednotlivé teploty, což svědčí o jeho odporové povaze. Úbytek napětí je poněkud závislý na teplotě, přičemž úroveň se zvyšuje s rostoucí teplotou. Všimněte si, že úbytek napětí regulátoru LDO je mnohem nižší než u konvenčního lineárního regulátoru výkonu, který by měl úbytek napětí přibližně 2 volty.

Upozorňujeme, že výstupní kondenzátor na obrázku 1 je znázorněn se svým vlastním efektivním sériovým odporem („effective series resistance“, ESR), který ovlivňuje stabilitu regulátoru. Zvolený kondenzátor by měl mít ESR do 10 Ω, aby byla zaručena stabilita při plné provozní teplotě −40 °C až +85 °C. Doporučené typy kondenzátorů zahrnují vícevrstvé keramické kondenzátory („multilayer ceramic capacitors“, MLCC), polovodičové kondenzátory E-CAP a tantalové kondenzátory s hodnotami přes 2,2 mF.

Klidový proud, I_Q, představuje proud odebíraný z napájecího zdroje regulátorem LDO bez zátěže. Klidový proud dodává energii do vnitřních obvodů regulátoru LDO, jako je chybový zesilovač a dělič výstupního napětí. V bateriově napájených zařízeních ovlivňuje klidový proud rychlost vybíjení baterie a je obecně navrhován tak, aby byl co nejnižší. Řada AP7361EA společnosti Diodes Incorporated má typický proud I_Q 68 mA.

Regulátory LDO řady AP7361EA

Řada AP7361EA obsahuje tři alternativní konfigurace obvodů, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3: Řada AP7361EA nabízí zařízení s pevným nebo nastavitelným výstupním napětím a s řízením aktivace nebo bez něj. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Řada AP7361EA obsahuje verze s pevným nebo nastavitelným výstupním napětím. Verze s pevným napětím mají vnitřní děliče napětí a nabízejí úrovně výstupního napětí 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 nebo 3,3 voltů. Zařízení s nastavitelným výstupem vyžadují uživatelem dodaný externí dělič napětí a mají rozsah výstupního napětí 0,8 až 5 voltů. Specifikace přesnosti výstupního napětí pro všechny verze je ±1 % spolu s rozsahem vstupního napětí 2,2 až 6 voltů.

Pevné nebo nastavitelné verze mohou obsahovat linku řízení aktivace („enable“, EN). Zařízení AP7361EA se zapíná nastavením pinu EN vysoko a vypíná se jeho stažením dolů. Pokud se tato funkce nepoužívá, měl by být pin EN připojen ke vstupnímu pinu („input“, IN), aby výstup regulátoru zůstal neustále zapnutý. Doba odezvy aktivační linky je přibližně 200 ms pro zapnutí a přibližně 50 ms pro vypnutí.

Dalším významným rozdílem mezi zařízeními AP7361EA je fyzické pouzdro. Zařízení jsou k dispozici v pouzdrech U-DFN3030-8 (typ E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) a SO-8EP.

Porovnání několika příkladů výrobků AP7361EA, včetně obou pevných (AP7361EA-33DR-13 a AP7361EA-10ER-13) a nastavitelných (AP7361EA-FGE-7 a AP7361EA-SPR-13) verzí, je uvedeno v tabulce 1.

Tabulka 1: Ukázka konfigurací pevného a nastavitelného napětí zařízení AP7361EA. (Zdroj tabulky: Art Pini s využitím dat od společnosti Diodes Inc.)

Zařízení řady AP7361EA jsou všechna chráněna proti zkratu a nadproudu. Ochrana proti zkratu a nadproudu je vybavena proudovým omezením typu foldback 400 mA, pokud výstupní proud překročí proudový limit, typicky 1,5 A. K vypnutí na základě teploty dojde, když se teplota přechodu zařízení zvýší na nominálně 150 °C, a provoz se obnoví, když klesne pod přibližně 130 °C.

Regulace zátěže a napěťová regulace

Regulace zátěže popisuje schopnost regulátoru LDO udržet své výstupní napětí navzdory změnám výstupního zátěžového proudu. To je důležité u přenosných zařízení napájených bateriemi, kde řídicí jednotky často vypínají podsystémy, když se nepoužívají. Řada regulátorů LDO AP7361EA má maximální specifikovanou regulaci zátěže 1,5 % pro výstupní úrovně 1 až 1,2 V a 1 % pro výstupy 1,2 až 3,3 V (obrázek 4).

Obrázek 4: Příklad grafu regulace zátěže pro 3,3voltový výstup. Maximální kolísání výstupu je přibližně 0,15 % nebo přibližně 5,0 mV pro změnu zátěže od 100 do 500 mA pro jmenovitý výstup 3,3 V. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Regulace zátěže se vypočítá jako poměr maximálního kolísání výstupního napětí ke jmenovitému výstupnímu napětí. Ve výše uvedeném příkladu je maximální kolísání výstupu asi 5,0 mV pro změnu zátěže 100 mA až 500 mA. Regulace zátěže je tedy 0,005/3,3 nebo 0,15 %.

Kolísání napětí specifikuje kolísání ve výstupu pro změnu zdrojového napětí na volt výstupu. Řada AP7361EA má maximální specifikaci napěťové regulace 0,1 %/V při pokojové teplotě a 0,2 %/V v celém rozsahu teplot. Pro výstup 3,3 V by změna vstupní úrovně o 1 V měla mít změnu výstupní úrovně menší než 0,33 % jmenovitého výstupu 3,3 V (obrázek 5).

Obrázek 5: Zobrazený je graf napěťové regulace pro model AP7361EA pracující s 3,3voltovým výstupem. Změna vstupního napětí ze 4,3 na 5,3 voltu má za následek změnu výstupního napětí 0,05 %. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Na obrázku 5 je uvedena charakteristika napěťové regulace regulátoru LDO. Změna zdrojového napětí ze 4,3 na 5,3 voltu má za následek změnu výstupní úrovně 0,05 % nebo přibližně 1,65 mV.

Je třeba si všimnout, že za podmínek kolísání napětí i zátěže vykazuje výstup rychlé zotavení z přechodových událostí. To je důležité při restartování procesů v přenosných zařízeních, kde musí být napájecí sběrnice zapnutá a funkční, než bude možné restartovat neaktivní obvody.

Poměr potlačení napájecího zdroje

Regulátory LDO produkují jako lineární obvody mnohem méně šumu než spínané napájecí zdroje („switched-mode power supplies“, SMPS) nebo výkonové měniče. V mnoha aplikacích se regulátor LDO používá lokálně na desce plošných spojů, ale zdrojem energie je SMPS. Díky řídicímu systému v rámci regulátoru LDO má regulátor tendenci potlačovat šum a zvlnění ze vstupního napájecího zdroje. Měřítkem tohoto potlačení šumu je poměr potlačení napájecího zdroje („power supply rejection ratio“, PSRR) (obrázek 6).

Obrázek 6: PSRR se vypočítává na základě signálů střídavého proudu měřených na vstupu a výstupu regulátoru LDO. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

PSRR se vypočítá na základě poměru komponent AC na vstupu a na výstupu, jak je uvedeno na obrázku 6. PSRR je v řadě AP7361EA závislý na frekvenci a s rostoucí frekvencí klesá. PSRR je 75 dB při 1 kHz a klesá na 55 dB při frekvenci 10 kHz. 75 dB představuje útlum více než 5 600:1. 10mV zvlnění nebo šumový signál při 1 kHz by byl utlumen na přibližně 1,7 µV.

Příklad aplikace

Typická aplikace regulátoru LDO s nastavitelným výstupem je uvedena na obrázku 7. Obsahuje aktivaci výstupu podobnou modelu AP7361EA-SPR-13 a také externí dělič výstupního napětí.

Obrázek 7: Příklad použití regulátoru LDO s nastavitelným výstupem vyžadujícího externí dělič výstupního napětí. Rovnice (vpravo dole) ukazuje vztah mezi rezistory R1 a R2 pro požadované výstupní napětí a vnitřní referenční napětí. (Zdroj obrázku: společnost Diodes Incorporated)

Hodnoty rezistoru odporového děliče lze vypočítat pomocí rovnic uvedených na obrázku 7 vpravo dole. K zajištění stability vnitřního referenčního napětí by měla být hodnota R2 udržována na méně než 80 kΩ. Pro výstup 2,4 V s referenčním napětím 0,8 V a R2 rovným 61,9 kΩ vyjde hodnota R1 na 123,8 kΩ. Vhodný by byl rezistor 124 kΩ, 1 %.

Závěr

LDO jsou lineární regulátory napětí, které pracují s nízkými rozdíly napětí na vstupu a výstupu a s nízkými klidovými proudy. Nabízejí vysokou energetickou účinnost s nízkým šumem a malými rozměry. Jsou zvláště vhodné pro přenosná zařízení napájená bateriemi, kde prodlužují životnost baterie a zvyšují spolehlivost.