Podstawy regulatorów napięcia o niskim spadku (LDO) i sposób ich użycia w celu wydłużenia czasu pracy baterii w urządzeniach przenośnych i ubieralnych

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 (R_DSON) 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).

Ilustracja 2: wykresy spadku napięcia regulatora LDO 3,3V z serii AP7361EA firmy Diodes w funkcji prądu wyjściowego dla trzech różnych temperatur. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

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 I_Q 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 I_Q równą 68µA.

Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) z serii AP7361EA

Seria AP7361EA zawiera trzy alternatywne konfiguracje obwodu ukazane na ilustracji 3.

Ilustracja 3: w serii AP7361EA dostępne są urządzenia z ustalonymi lub nastawnymi napięciami wyjściowymi, posiadające sterowanie włączaniem lub nie. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Seria AP7361EA zawiera wersje z ustalonymi lub nastawnymi napięciami wyjściowymi. Wersje z ustalonymi napięciami posiadają wewnętrzne dzielniki napięcia i oferują poziomy napięcia 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 oraz 3,3V. Urządzenia z nastawnym wyjściem wymagają dostarczenia przez użytkownika zewnętrznego dzielnika napięcia i mają zakres napięć wyjściowych od 0,8 do 5V. Podana w specyfikacjach dokładność napięcia wyjściowego dla wszystkich wersji wynosi ±1%, a zakres napięć wejściowych wynosi od 2,2 do 6V.

Wersje ustalone lub nastawne mogą posiadać linię sterującą włączania (EN). Urządzenie AP7361EA jest włączane poprzez ustawienie stanu wysokiego na wtyku EN i wyłączane przez ustawienie na nim stanu niskiego. Jeżeli ta funkcja nie jest używana, wtyk EN powinien być połączony z wtykiem wejściowym (IN), aby zapewnić, że regulator będzie zawsze włączony. Czas odpowiedzi linii włączającej wynosi około 200µs dla włączania i około 50µs dla wyłączania.

Inną znaczącą różnicą pomiędzy urządzeniami AP7361EA jest fizyczna obudowa. Dostępne są obudowy U-DFN3030-8 (typ E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) oraz SO-8EP.

Tabela 1 zawiera porównanie kilku przykładowych urządzeń AP7361EA, w tym wersje z wyjściem ustalonym (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) i wyjściem nastawnym (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13).

Tabela 1: przykładowe konfiguracje urządzenia AP7361EA z napięciem ustalonym i nastawnym. (Źródło tabeli: Art Pini, na podstawie danych z firmy Diodes Inc.)

Wszystkie urządzenia z serii AP7361EA są zabezpieczone przed zwarciami i nadmiernymi prądami. Zabezpieczenia przed zwarciami i nadmiernymi prądami obejmują ograniczenie prądu podcięcia 400mA gdy prąd wyjściowy przekroczy wartość graniczną, zwykle 1.5 A. Wyłączanie termiczne następuje, gdy temperatura złącza w urządzeniu wzrośnie nominalnie do 150°C. Działanie jest przywracane, gdy spadnie ona do około 130°C.

Regulacja linii i obciążenia

Regulacja obciążenia opisuje zdolność regulatora LDO do utrzymania napięcia wyjściowego pomimo zmian wyjściowego prądu obciążenia. Jest to ważne w urządzeniach przenośnych z zasilaniem bateryjnym, w których kontrolery często wyłączają nieużywane podsystemy. Specyfikacje serii AP7361EA regulatorów LDO określają maksymalną regulację obciążenia jako 1,5% dla poziomów wyjściowych od 1 do 1,2V oraz 1% dla poziomów od 1,2 do 3,3V (ilustracja 4).

Ilustracja 4, przykładowy wykres regulacji obciążenia dla napięcia wyjściowego 3,3V. Maksymalna zmienność wyjściowa wynosi około 0,15% czyli około 5,0mV przy zmianie obciążenia ze 100 do 500mA dla nominalnego napięcia wyjściowego 3,3V. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Regulacja obciążenia jest obliczana jako stosunek maksymalnej zmiany napięcia wyjściowego do nominalnego napięcia wyjściowego. W powyższym przykładzie maksymalna zmiana napięcia wyjściowego wynosi około 5,0mV przy zmianie obciążenia ze 100mA do 500mA. Zatem regulacja obciążenia wynosi 0,005/3,3 czyli 0,15%

Zmienność linii określa zmienność wyjścia dla zmiany napięcia wejściowego na wolt napięcia wyjściowego. Specyfikacja serii AP7361EA określa maksymalną regulację linii jako 0,1%/V w temperaturze pokojowej oraz 0,2%/V w całym zakresie temperatur. Dla wyjścia 3,3V, zmiana napięcia wejściowego o 1V powinna powodować zmianę napięcia wyjściowego o mniej niż 0,33% nominalnego napięcia wyjściowego 3,3V (ilustracja 5).

Ilustracja 5: wykres regulacji linii dla urządzenia AP7361EA działającego z napięciem wyjściowym 3,3V. Zmiana napięcia wejściowego z 4,3 na 5,3V skutkuje 0,05% zmianą napięcia wyjściowego. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Ilustracja 5 ukazuje charakterystykę regulacji linii w regulatorze napięcia o niskim spadku (LDO). Zmiana napięcia źródłowego z 4,3 na 5,3V skutkuje 0,05% zmianą poziomu wyjściowego, co daje około 1,65mV.

Należy zauważyć, że wyjście charakteryzuje się szybkim odzyskaniem prawidłowych parametrów po wystąpieniu stanów nieustalonych wynikłych ze zmiany zarówno w linii, jak i obciążeniu. Jest to ważne podczas procedur ponownego uruchamiania w urządzeniach przenośnych, gdzie magistrala zasilająca musi działać, zanim nastąpi ponowne uruchomienie wyłączonych obwodów.

Współczynnik tłumienia wpływu zasilania

Regulatory napięcia o niskim spadku (LDO) są obwodami liniowymi, dlatego generują znacznie mniej zakłóceń niż zasilacze impulsowe (SMPS) i przetwornice mocy. W wielu zastosowaniach regulator LDO jest stosowany lokalnie na płytce drukowanej, jednak źródłem zasilania jest zasilacz impulsowy (SMPS). Dzięki wbudowanym systemom sterującym, regulator LDO ma zdolność tłumienia zakłóceń i tętnień pochodzących z wejściowego źródła zasilania. Miarą tego tłumienia zakłóceń jest współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) (ilustracja 6).

Ilustracja 6: współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) jest obliczany na podstawie sygnałów prądu zmiennego mierzonych na wejściu i wyjściu regulatora LDO. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) jest obliczany jako stosunek składowych prądu zmiennego na wejściu i na wyjściu, jak to ukazuje ilustracja 6. Współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) dla serii AP7361EA jest uzależniony od częstotliwości i spada wraz z jej wzrostem. Współczynnik PSRR wynosi 75dB przy 1kHz i spada do 55dB przy częstotliwości 10kHz. 75dB odpowiada tłumieniu ponad 5600:1. Tętnienia 10mV lub sygnały zakłóceniowe o częstotliwości 1kHz zostaną stłumione do około 1,7µV.

Przykładowe zastosowanie

Typowe zastosowanie nastawnego regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) przedstawiono na ilustracji 7. Zawiera włączanie wyjścia podobnie do urządzenia AP7361EA-SPR-13, a także zewnętrzny dzielnik napięcia wyjściowego.

Ilustracja 7: przykładowe użycie regulatora napięcia o niskim spadku (LDO) z nastawnym wyjściem, wymagającego zewnętrznego dzielnika napięcia wyjściowego. Równanie (po prawej u dołu) określa zależność pomiędzy rezystorami R1 i R2 dla żądanego napięcia wyjściowego i wewnętrznego napięcia referencyjnego. (Źródło ilustracji: Diodes Incorporated)

Wartości rezystancji w dzielniku rezystancyjnym można obliczyć przy użyciu równań w prawej dolnej części ilustracji 7. Aby zapewnić stabilność wewnętrznego źródła napięcia referencyjnego, wartość rezystora R2 powinna być mniejsza od 80kΩ. Dla wyjścia 2,4V przy napięciu referencyjnym 0,8V i rezystancji R2 równej 61,9kΩ, obliczona wartość rezystancji R1 wynosi 123,8kΩ. Odpowiedni będzie rezystor 124kΩ, 1%.

Podsumowanie

Regulatory LDO są liniowymi regulatorami napięcia, które działają przy niewielkiej różnicy napięć pomiędzy wejściem i wyjściem oraz przy niskich prądach spoczynkowych. Zapewniają one wysoką sprawność energetyczną przy niskich zakłóceniach i niewielkich rozmiarach. Szczególnie dobrze sprawdzają się w urządzeniach przenośnych z zasilaniem bateryjnym, gdzie wydłużają czas pracy baterii i zwiększają niezawodność.