Regulador de baja caída

Chip del regulador de voltaje lineal de baja caída (LDO) LM1117.

Un regulador de baja caída ( regulador LDO ) es un tipo de circuito regulador de voltaje lineal de CC que puede operar incluso cuando el voltaje de alimentación es muy cercano al voltaje de salida. ^{[ 1 ]} Las ventajas de un regulador LDO sobre otros reguladores de voltaje CC-CC incluyen: la ausencia de ruido de conmutación (a diferencia de los reguladores conmutados ); un tamaño de dispositivo más pequeño (ya que no se necesitan grandes inductores ni transformadores); y una mayor simplicidad de diseño (generalmente consta de una referencia , un amplificador y un elemento de paso). La desventaja es que los reguladores lineales de CC deben disipar calor para operar. ^{[ 2 ]}

Historia

El regulador de baja caída ajustable debutó el 12 de abril de 1977 en un artículo de Electronic Design titulado " Libérate de los reguladores IC fijos ". El artículo fue escrito por Robert Dobkin , un diseñador de circuitos integrados que trabajaba entonces para National Semiconductor . Por ello, National Semiconductor se atribuye el título de " inventor del LDO ". ^{[ 3 ]} Posteriormente, Dobkin dejó National Semiconductor en 1981 y fundó Linear Technology, donde fue director de tecnología. ^{[ 4 ]}

Componentes

Los componentes principales son un transistor FET de potencia y un amplificador diferencial (amplificador de error). Una entrada del amplificador diferencial monitoriza la fracción de la salida determinada por la relación de resistencias R1 y R2. La segunda entrada del amplificador diferencial proviene de una referencia de voltaje estable ( referencia de banda prohibida ). Si el voltaje de salida aumenta demasiado con respecto al voltaje de referencia, la señal de control del transistor FET de potencia se ajusta para mantener un voltaje de salida constante.

Regulación

Los reguladores de baja caída de tensión (LDO) funcionan de forma similar a todos los reguladores de tensión lineales . La principal diferencia entre los reguladores LDO y los que no lo son radica en su topología esquemática . En lugar de una topología de seguidor de emisor , los reguladores de baja caída de tensión presentan una topología de colector abierto o drenador abierto , donde el transistor puede saturarse fácilmente con las tensiones disponibles para el regulador. Esto permite que la caída de tensión desde la tensión no regulada hasta la tensión regulada sea tan baja como la tensión de saturación a través del transistor. ^{[ 2 ]}^{: Apéndice A}

En la figura 1, la entrada inversora del amplificador operacional tendrá un voltaje de:

$V_{\text{-}}={\frac {R_{2}}{R_{1}+R_{2}}}V_{\text{out}}\ .$

Cuando este voltaje es menor que Vref, el amplificador operacional activará el elemento de paso. El bucle de retroalimentación mantiene $V_{\text{-}}$ aproximadamente igual a $V_{\text{ref}}.$ Al despejar el voltaje de salida se obtiene:

$V_{\text{out}}=\left(1+{\frac {R_{1}}{R_{2}}}\right)V_{\text{ref}}\ .$

Si se utiliza un transistor bipolar , en lugar de un transistor de efecto de campo o un JFET , puede haber una pérdida de potencia adicional significativa para controlarlo, mientras que los reguladores que no son LDO obtienen esa potencia de la propia caída de tensión. Para tensiones elevadas con una diferencia V _in -V _out muy baja , habrá una pérdida de potencia significativa en el circuito de control. ^{[ 5 ]}

Debido a que el elemento de control de potencia es un inversor, se requiere otro amplificador inversor para controlarlo, lo que aumenta la complejidad del circuito en comparación con un regulador lineal simple .

Los transistores FET de potencia pueden ser preferibles para reducir el consumo de energía, pero esto plantea problemas cuando el regulador se utiliza con un voltaje de entrada bajo, ya que los FET generalmente requieren de 5 a 10 V para cerrarse por completo. Los transistores FET de potencia también pueden aumentar el costo.

Eficiencia y disipación de calor

La potencia disipada en el elemento de paso y en los circuitos internos ( $P_{\text{PÉRDIDA}}$ ) de un LDO típico se calcula de la siguiente manera:

$P_{\text{LOSS}}=\left(V_{\text{IN}}-V_{\text{OUT}}\right)I_{\text{OUT}}+V_{\text{IN}}I_{\text{Q}}$

dónde $I_{\text{Q}}$ es la corriente de reposo requerida por el LDO para su circuito interno.

Por lo tanto, la eficiencia se puede calcular de la siguiente manera:

$\eta ={\frac {P_{\text{IN}}-P_{\text{LOSS}}}{P_{\text{IN}}}}$ dónde $P_{\text{IN}}=V_{\text{IN}}I_{\text{IN}}$

Sin embargo, cuando el regulador LDO está en pleno funcionamiento (es decir, suministrando corriente a la carga), generalmente: $I_{\text{OUT}}\gg I_{\text{Q}}$ Esto nos permite reducir $P_{\text{PÉRDIDA}}$ a lo siguiente:

$P_{\text{PÉRDIDA}}=\left(V_{\text{ENTRADA}}-V_{\text{SALIDA}}\right)I_{\text{SALIDA}}$

lo que reduce aún más la ecuación de eficiencia a:

$\eta ={\frac {V_{\text{OUT}}}{V_{\text{IN}}}}$

Es importante tener en cuenta las consideraciones térmicas al usar un regulador lineal de baja caída de tensión (LDO). Una corriente elevada o una gran diferencia entre la tensión de entrada y la de salida pueden provocar una gran disipación de potencia. Además, la eficiencia se verá afectada a medida que aumente la diferencia. Dependiendo del encapsulado , una disipación de potencia excesiva podría dañar el LDO o provocar su apagado por sobrecalentamiento.

Corriente en reposo

Entre otras características importantes de un regulador lineal se encuentra la corriente de reposo , también conocida como corriente de tierra o corriente de alimentación, que explica la diferencia, aunque pequeña, entre las corrientes de entrada y salida del LDO, es decir:

$I_{\text{Q}}=I_{\text{IN}}-I_{\text{OUT}}$

La corriente de reposo es la corriente que consume el regulador LDO para controlar su circuito interno y garantizar su correcto funcionamiento. El elemento de paso en serie, las topologías y la temperatura ambiente son los principales factores que influyen en la corriente de reposo. ^{[ 6 ]}

Muchas aplicaciones no requieren que un LDO esté en pleno funcionamiento todo el tiempo (es decir, suministrando corriente a la carga). En este estado de reposo, el LDO todavía consume una pequeña cantidad de corriente de reposo para mantener el circuito interno listo en caso de que se presente una carga. Cuando no se suministra corriente a la carga, $P_{\text{LOSS}}$ Se puede encontrar de la siguiente manera:

$P_{\text{LOSS}}=V_{\text{IN}}I_{Q}$

Filtración

Además de regular el voltaje, los LDO también pueden usarse como filtros . Esto es especialmente útil cuando un sistema utiliza conmutadores , que introducen una ondulación en el voltaje de salida a la frecuencia de conmutación. Si no se corrige, esta ondulación puede afectar negativamente el rendimiento de los osciladores , ^{[ 7 ]} los convertidores de datos ^{[ 8 ]} y los sistemas de RF ^{[ 9 ]} alimentados por el conmutador. Sin embargo, cualquier fuente de alimentación , no solo los conmutadores, puede contener elementos de CA que pueden ser indeseables para el diseño.

Dos especificaciones que deben tenerse en cuenta al utilizar un regulador LDO como filtro son la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) y el ruido de salida.

Presupuesto

Un LDO se caracteriza por su voltaje de caída, corriente de reposo, regulación de carga, regulación de línea, corriente máxima (que está determinada por el tamaño del transistor de paso), velocidad (qué tan rápido puede responder cuando la carga varía), variaciones de voltaje en la salida debido a transitorios repentinos en la corriente de carga, condensador de salida y su resistencia serie equivalente. ^{[ 10 ]} La velocidad está indicada por el tiempo de subida de la corriente en la salida a medida que varía desde una corriente de carga de 0 mA (sin carga) hasta la corriente de carga máxima. Esto está determinado básicamente por el ancho de banda del amplificador de error. También se espera que un LDO proporcione una salida silenciosa y estable en todas las circunstancias (ejemplo de posible perturbación podría ser: cambio repentino del voltaje de entrada o corriente de salida). El análisis de estabilidad establece algunas métricas de rendimiento para obtener dicho comportamiento e implica colocar polos y ceros apropiadamente. La mayoría de las veces, hay un polo dominante que surge en bajas frecuencias, mientras que otros polos y ceros se desplazan a altas frecuencias.

Relación de rechazo de la fuente de alimentación

PSRR se refiere a la capacidad del LDO para rechazar la ondulación que ve en su entrada. ^{[ 11 ]} Como parte de su regulación, el amplificador de error y la referencia de banda prohibida atenúan cualquier pico en el voltaje de entrada que se desvíe de la referencia interna con la que se compara. ^{[ 12 ]} En un LDO ideal, el voltaje de salida estaría compuesto únicamente por la frecuencia de CC. Sin embargo, el amplificador de error tiene limitaciones en su capacidad para captar pequeños picos a altas frecuencias. PSRR se expresa de la siguiente manera: ^{[ 11 ]}

${\text{PSRR}}={\frac {\Delta V_{\text{IN}}^{2}}{\Delta V_{\text{OUT}}^{2}}}=10\log \left({\frac {\Delta V_{\text{IN}}^{2}}{\Delta V_{\text{OUT}}^{2}}}\right)\,{\text{dB}}$

Por ejemplo, un regulador LDO con una relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) de 55 dB a 1 MHz atenúa una ondulación de entrada de 1 mV a esta frecuencia hasta solo 1,78 μV en la salida. Un aumento de 6 dB en la PSRR equivale aproximadamente a un aumento de la atenuación en un factor de 2.

La mayoría de los reguladores LDO presentan una relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) relativamente alta a bajas frecuencias (10 Hz – 1 kHz). Sin embargo, un regulador LDO de alto rendimiento se distingue por tener una PSRR elevada en un amplio espectro de frecuencias (10 Hz – 5 MHz). Esta alta PSRR en una banda ancha permite al regulador rechazar el ruido de alta frecuencia, como el que proviene de un conmutador. Al igual que otras especificaciones, la PSRR fluctúa con la frecuencia, la temperatura, la corriente, la tensión de salida y la diferencia de tensión.

Ruido de salida

El ruido del propio LDO también debe tenerse en cuenta en el diseño del filtro. Al igual que otros dispositivos electrónicos, los LDO se ven afectados por el ruido térmico , el ruido de disparo bipolar y el ruido de parpadeo . ^{[ 9 ]} Cada uno de estos fenómenos contribuye al ruido de la tensión de salida, concentrado principalmente en el extremo inferior del espectro de frecuencias. Para filtrar adecuadamente las frecuencias de CA, un LDO debe rechazar la ondulación en la entrada e introducir un ruido mínimo en la salida. Los esfuerzos por atenuar la ondulación de la tensión de entrada podrían ser en vano si un LDO ruidoso simplemente vuelve a añadir ese ruido en la salida.

Regulación de carga

La regulación de carga es una medida de la capacidad del circuito para mantener el voltaje de salida especificado bajo condiciones de carga variables. La regulación de carga se define como:

${\text{Load Regulation}}={\Delta V_{\text{OUT}} \over \Delta I_{\text{OUT}}}$

El peor caso de variaciones de voltaje de salida ocurre cuando la corriente de carga transita de cero a su valor nominal máximo o viceversa. ^{[ 6 ]}

Regulación de línea

La regulación de línea es una medida de la capacidad del circuito para mantener el voltaje de salida especificado con un voltaje de entrada variable. La regulación de línea se define como:

${\text{Line regulation}}={\Delta V_{\text{OUT}} \over \Delta V_{\text{IN}}}$

Al igual que la regulación de carga, la regulación de línea es un parámetro de estado estacionario; se desprecian todos los componentes de frecuencia. Aumentar la ganancia de corriente de lazo abierto de CC mejora la regulación de línea. ^{[ 6 ]}

respuesta transitoria

La respuesta transitoria es la variación máxima permitida de la tensión de salida para un cambio escalonado de la corriente de carga. La respuesta transitoria es una función del valor del condensador de salida ( ${\textstyle C_{\text{OUT}}}$ ), la resistencia serie equivalente (ESR) del condensador de salida, el condensador de derivación ( ${\textstyle C_{\text{BYP}}}$ ) que normalmente se añade al condensador de salida para mejorar la respuesta transitoria de carga y la corriente de carga máxima ( ${\textstyle I_{\text{OUT,MAX}}}$ La variación máxima de voltaje transitorio se define de la siguiente manera:

$\Delta V_{\text{TR,MAX}}={\frac {I_{\text{OUT,MAX}}}{C_{\text{OUT}}+C_{\text{BYP}}}}\Delta t_{1}+{\Delta V_{\text{ESR}}}$ ^{[ 6 ]}

Dónde ${\textstyle \Delta t_{1}}$ corresponde al ancho de banda de lazo cerrado de un regulador LDO. ${\textstyle \Delta V_{\text{ESR}}}$ es la variación de voltaje resultante de la presencia de la ESR ( ${\textstyle R_{\text{ESR}}}$ ) del condensador de salida. La aplicación determina cuán bajo debe ser este valor.

Véase también

Regulador lineal
Detección de bajo voltaje (a veces se confunde con el regulador LDO)
Regulador de voltaje
módulo regulador de voltaje
Fuente de alimentación conmutada
Lista de circuitos integrados lineales
LM7805

Referencias

↑ Paul Horowitz y Winfield Hill (1989). El arte de la electrónica . Cambridge University Press. págs. 343–349 . ISBN 978-0-521-37095-0.
1 2 Jim Williams (1 de marzo de 1989). "Reguladores lineales de alta eficiencia" . Linear Technology . Recuperado el 29 de marzo de 2014 .
↑ Reguladores de baja caída de tensión, reguladores lineales, regulador lineal CMOS
↑ Don Tuite (1 de septiembre de 2007). "Inventor actualiza un clásico 30 años después" . Archivado del original el 15 de octubre de 2007. Consultado el 9 de octubre de 2007 .
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↑ Mohammed, Habeeb. "Efecto del ruido de suministro sobre el ruido de fase del oscilador" .
↑ Ramus, Xavier. "Medición de PSR en un ADC" .
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↑ Regulador de baja tensión (LDO) eficiente en corriente: Tesis de Rincon-Mora
1 2 Pithadia, Sanjay. "Medición simplificada de LDO PSRR" . Texas Instruments.
↑ Day, Michael. "Comprensión de los reguladores de baja caída de tensión (LDO)" . Texas Instruments.

Enlaces externos

Comprensión de los reguladores de baja caída de tensión: conceptos básicos
Comprensión de los reguladores LDO - TI
Comprender el ruido y la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) en los reguladores LDO - Todo sobre circuitos
Comprensión del ruido en los reguladores LDO - TI
Índice de notas de aplicación de TI LDO - TI

[1] Paul Horowitz y Winfield Hill (1989). El arte de la electrónica . Cambridge University Press. págs. 343–349 . ISBN 978-0-521-37095-0.

[Williams-2] 1 2 Jim Williams (1 de marzo de 1989). "Reguladores lineales de alta eficiencia" . Linear Technology . Recuperado el 29 de marzo de 2014 .

[3] Reguladores de baja caída de tensión, reguladores lineales, regulador lineal CMOS

[4] Don Tuite (1 de septiembre de 2007). "Inventor actualiza un clásico 30 años después" . Archivado del original el 15 de octubre de 2007. Consultado el 9 de octubre de 2007 .

[Linear_and_Switching_Voltage_Regulator_Fund.-5] Simpson, Chester. "Fundamentos de los reguladores de voltaje lineales y conmutados" . ti.com . Texas Instruments . Consultado el 18 de junio de 2015 .

[LDO_terms_and_defs-6] 1 2 3 4 Lee, Bang S. "Comprensión de los términos y definiciones de los reguladores de voltaje LDO" . Texas Instruments . Recuperado el 30 de agosto de 2013 .

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[LDO_Noise_Demystified-9] 1 2 Pithadia, Sanjay. "El ruido del LDO desmitificado" . Texas Instruments.

[10] Regulador de baja tensión (LDO) eficiente en corriente: Tesis de Rincon-Mora

[PSRR_expl.-11] 1 2 Pithadia, Sanjay. "Medición simplificada de LDO PSRR" . Texas Instruments.

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