Regulador de baja caída de tensión

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

El regulador de baja caída ajustable debutó el 12 de abril de 1977 en un artículo de Electronic Design titulado " Libérate de los reguladores de circuitos integrados fijos ". El artículo fue escrito por Robert Dobkin , un diseñador de circuitos integrados que trabajaba en National Semiconductor . Debido a esto, National Semiconductor reclama el título de " inventor del LDO ". ^[3] Dobkin luego dejó National Semiconductor en 1981 y fundó Linear Technology , donde fue el director de tecnología. ^[4]

Los componentes principales son un FET de potencia y un amplificador diferencial (amplificador de error). Una entrada del amplificador diferencial monitorea la fracción de la salida determinada por la relación de resistencias de R1 y R2. La segunda entrada del amplificador diferencial proviene de una referencia de voltaje estable ( referencia de intervalo de banda ). Si el voltaje de salida aumenta demasiado en relación con el voltaje de referencia, el control del FET de potencia cambia para mantener un voltaje de salida constante.

Los reguladores de baja caída de tensión (LDO) funcionan de manera similar a todos los reguladores de voltaje lineal . La principal diferencia entre los reguladores LDO y los que no son LDO es su topología esquemática . En lugar de una topología de seguidor de emisor , los reguladores de baja caída de tensión consisten en una topología de colector abierto o de drenaje abierto , donde el transistor puede ser fácilmente llevado a la saturación con los voltajes disponibles para el regulador. Esto permite que la caída de voltaje desde el voltaje no regulado al voltaje regulado sea tan baja como (limitada a) el voltaje de saturación a través del transistor. ^{[2] : Apéndice A}

Para el circuito dado en la figura de la derecha, el voltaje de salida se da como:

${\displaystyle V_{\text{FUERA}}=\left(1+{\frac {R_{1}}{R_{2}}}\right)V_{\text{REF}}}$

Si se utiliza un transistor bipolar , en lugar de un transistor de efecto de campo o JFET , se puede perder una potencia adicional significativa para controlarlo, mientras que los reguladores que no son LDO toman esa potencia de la propia caída de tensión. Para tensiones altas con una diferencia de entrada-salida 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 esquemática en comparación con un regulador lineal simple . ^{[ cita requerida ]}

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

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

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

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

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

${\displaystyle \eta ={\frac {P_{\text{EN}}-P_{\text{PÉRDIDA}}}{P_{\text{EN}}}}}$   dónde   ${\displaystyle P_{\text{EN}}=V_{\text{EN}}I_{\text{EN}}}$

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

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

lo que reduce aún más la ecuación de eficiencia a:

${\displaystyle \eta ={\frac {V_{\text{SALIDA}}}{V_{\text{DENTRO}}}}}$

Es importante tener en cuenta las consideraciones térmicas al utilizar un regulador lineal de baja caída de tensión. Tener una corriente alta o un diferencial amplio entre el voltaje de entrada y el de salida podría generar una gran disipación de potencia. Además, la eficiencia se verá afectada a medida que se amplíe el diferencial. Según el encapsulado , una disipación de potencia excesiva podría dañar el LDO o provocar que se apague por calor.

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

${\displaystyle I_{\text{Q}}=I_{\text{ENTRADA}}-I_{\text{SALIDA}}}$

La corriente de reposo es la corriente que consume el LDO para controlar su circuito interno y lograr un funcionamiento adecuado. El elemento de paso en serie, las topologías y la temperatura ambiente son los principales contribuyentes a 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 inactivo, el LDO aún consume una pequeña cantidad de corriente de reposo para mantener los circuitos internos listos en caso de que se presente una carga. Cuando no se suministra corriente a la carga, se puede encontrar lo siguiente:${\displaystyle P_{\text{PÉRDIDA}}}$

${\displaystyle P_{\text{PÉRDIDA}}=V_{\text{EN}}I_{Q}}$

Además de regular el voltaje, los LDO también se pueden utilizar como filtros . Esto es especialmente útil cuando un sistema utiliza conmutadores , que introducen una ondulación en el voltaje de salida que se produce en la frecuencia de conmutación. Si se deja sola, esta ondulación tiene el potencial de afectar negativamente el rendimiento de los osciladores , ^[7] convertidores de datos , ^[8] y 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 LDO como filtro son la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) y el ruido de salida.

Un LDO se caracteriza por su voltaje de caída, corriente de reposo, regulación de carga, regulación de línea, corriente máxima (que se decide por el tamaño del transistor de paso), velocidad (qué tan rápido puede responder a medida que varía la carga), variaciones de voltaje en la salida debido a transitorios repentinos en la corriente de carga, capacitor de salida y su resistencia en serie equivalente. ^[10] La velocidad se indica 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 se decide 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 (un ejemplo de posible perturbación podría ser: cambio repentino del voltaje de entrada o la corriente de salida). El análisis de estabilidad implementa algunas métricas de rendimiento para obtener dicho comportamiento e implica colocar polos y ceros de manera apropiada. La mayoría de las veces, hay un polo dominante que surge a bajas frecuencias, mientras que otros polos y ceros se empujan a altas frecuencias.

PSRR se refiere a la capacidad del LDO de rechazar la ondulación que ve en su entrada. ^[11] Como parte de su regulación, el amplificador de error y el ancho de banda 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 está limitado en su capacidad de captar pequeños picos a altas frecuencias. PSRR se expresa de la siguiente manera: ^[11]

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

Por ejemplo, un LDO que tiene una PSRR de 55 dB a 1 MHz atenúa una ondulación de entrada de 1 mV a esta frecuencia a solo 1,78 μV en la salida. Un aumento de 6 dB en la PSRR equivale aproximadamente a un aumento de la atenuación por un factor de 2.

La mayoría de los LDO tienen una PSRR relativamente alta en frecuencias más bajas (10 Hz – 1 kHz). Sin embargo, un LDO de alto rendimiento se distingue por tener una PSRR alta en un amplio espectro de frecuencias (10 Hz – 5 MHz). Tener una PSRR alta en una banda ancha permite que el LDO rechace el ruido de alta frecuencia como el que surge de un conmutador. Al igual que otras especificaciones, la PSRR fluctúa con la frecuencia, la temperatura, la corriente, el voltaje de salida y el diferencial de voltaje.

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 aporta ruido al voltaje de salida, principalmente concentrado en el extremo inferior del espectro de frecuencia. 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 del voltaje de entrada podrían ser en vano si un LDO ruidoso simplemente agrega ese ruido nuevamente en la salida.

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:

${\displaystyle {\text{Regulación de carga}}={\Delta V_{\text{SALIDA}} \sobre \Delta I_{\text{SALIDA}}}}$

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

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:

${\displaystyle {\text{Regulación de línea}}={\Delta V_{\text{SALIDA}} \sobre \Delta V_{\text{ENTRADA}}}}$

Al igual que la regulación de carga, la regulación de línea es un parámetro de estado estable: se ignoran todos los componentes de frecuencia. El aumento de la ganancia de corriente de lazo abierto de CC mejora la regulación de línea. ^[6]

La respuesta transitoria es la variación máxima de voltaje de salida permitida para un cambio de paso de la corriente de carga. La respuesta transitoria es una función del valor del capacitor de salida ( ), la resistencia en serie equivalente (ESR) del capacitor de salida, el capacitor de derivación ( ) que generalmente se agrega al capacitor de salida para mejorar la respuesta transitoria de la carga y la corriente de carga máxima ( ). La variación máxima de voltaje transitorio se define de la siguiente manera:${\textstyle C_{\text{FUERA}}}$${\textstyle C_{\text{BYP}}}$${\textstyle I_{\text{FUERA,MÁXIMO}}}$

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

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

Un competidor del LDO, el IVR ( regulador de voltaje integrado ) parece ofrecer soluciones a muchos de los problemas de eficiencia y rendimiento que sufren los reguladores LDO. Los IVR combinan un regulador de voltaje de conmutación con todos los circuitos de control necesarios en un solo dispositivo, lo que da como resultado una reducción de tamaño de 10x y un ahorro de energía de entre el 10 y el 50 %. ^[13]

• Regulador lineal
• Detección de bajo voltaje (a veces confundido con regulador LDO)
• Regulador de voltaje
• Fuente de alimentación de modo conmutado
• Lista de circuitos integrados lineales
• LM7805

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