Un regulador de baja caída ( regulador LDO ) es un regulador de voltaje lineal de CC que puede funcionar incluso cuando el voltaje de suministro está muy cerca del voltaje de salida. [1] Las ventajas de un regulador LDO sobre otros reguladores de voltaje CC a CC incluyen: la ausencia de ruido de conmutación (a diferencia de los reguladores de conmutación ); tamaño de dispositivo más pequeño (ya que no se necesitan inductores ni transformadores grandes); y mayor simplicidad de diseño (normalmente consta de una referencia, un amplificador y un elemento de paso). La desventaja es que los reguladores lineales de CC deben disipar el calor para poder funcionar. [2]
El regulador ajustable de baja caída debutó el 12 de abril de 1977 en un artículo de Electronic Design titulado " Break Loose from Fixed IC Regulators ". El artículo fue escrito por Robert Dobkin , un diseñador de circuitos integrados que entonces trabajaba para National Semiconductor . Por esta razón, National Semiconductor reclama el título de " inventor de LDO ". [3] Más tarde, Dobkin dejó National Semiconductor en 1981 y fundó Linear Technology , donde fue 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 resistencia de R1 y R2. La segunda entrada al amplificador diferencial proviene de una referencia de voltaje estable ( referencia de banda prohibida ). Si el voltaje de salida aumenta demasiado en relación con el voltaje de referencia, el variador del FET de potencia cambia para mantener un voltaje de salida constante.
Los reguladores de baja caída (LDO) funcionan de manera similar a todos los reguladores de voltaje lineal . La principal diferencia entre los reguladores LDO y no LDO es su topología esquemática . En lugar de una topología de seguidor de emisor , los reguladores de baja caída consisten en una topología de colector abierto o drenaje abierto , donde el transistor puede saturarse fácilmente 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 (limitada a) el voltaje de saturación a través del transistor. [2] : Apéndice A
Para el circuito que se muestra en la figura de la derecha, el voltaje de salida viene dado como:
Si se utiliza un transistor bipolar , a diferencia de un transistor de efecto de campo o JFET , se puede perder una cantidad significativa de energía adicional para controlarlo, mientras que los reguladores que no son LDO toman esa energía de la propia caída de voltaje. Para voltajes altos con una diferencia de entrada y salida muy baja, habrá una pérdida de energía 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 necesaria ]
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 completamente. Los FET de potencia también pueden aumentar el costo.
La potencia disipada en el elemento de paso y el circuito interno ( ) de un LDO típico se calcula de la siguiente manera:
¿Dónde está la corriente de reposo requerida por el LDO para sus circuitos internos?
Por tanto, se puede calcular la eficiencia de la siguiente manera:
dónde
Sin embargo, cuando el LDO está en pleno funcionamiento (es decir, suministrando corriente a la carga) generalmente: . Esto nos permite reducir a lo siguiente:
lo que reduce aún más la ecuación de eficiencia a:
Es importante tener en cuenta las consideraciones térmicas al utilizar un regulador lineal de baja caída. Tener una corriente alta y/o un diferencial amplio entre el voltaje de entrada y salida podría provocar una gran disipación de energía. Además, la eficiencia se verá afectada a medida que se amplíe el diferencial. Dependiendo del paquete , la disipación excesiva de energía podría dañar el LDO o provocar que se apague térmicamente.
Entre otras características importantes de un regulador lineal se encuentra la corriente de reposo , también conocida como corriente de tierra o corriente de suministro, que da cuenta de la diferencia, aunque pequeña, entre las corrientes de entrada y salida del LDO, es decir:
La corriente de reposo es la corriente consumida por el LDO para controlar su circuito interno para 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 inactiva para mantener el circuito interno listo en caso de que se presente una carga. Cuando no se suministra corriente a la carga, se puede encontrar de la siguiente manera:
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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 onda tiene el potencial de afectar negativamente el rendimiento de los osciladores , [7] convertidores de datos , [8] y los sistemas de RF [9] alimentados por el conmutador. Sin embargo, cualquier fuente de energía, no sólo los conmutadores, puede contener elementos de CA que pueden ser indeseables para el diseño.
Dos especificaciones que se deben considerar 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, el capacitor de salida y su resistencia en serie equivalente. [10] La velocidad se indica mediante el tiempo de aumento de la corriente en la salida, ya que varía desde la corriente de carga de 0 mA (sin carga) hasta la corriente de carga máxima. Esto lo decide básicamente 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 implementó algunas métricas de desempeño para lograr tal comportamiento e implica colocar polos y ceros de manera adecuada. La mayoría de las veces, hay un polo dominante que surge en bajas frecuencias, mientras que otros polos y ceros son empujados en altas frecuencias.
PSRR se refiere a la capacidad del LDO para rechazar la onda que ve en su entrada. [11] Como parte de su regulación, el amplificador de error y la 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 una capacidad limitada para obtener pequeños picos a altas frecuencias. PSRR se expresa de la siguiente manera: [11]
Como ejemplo, un LDO que tiene un PSRR de 55 dB a 1 MHz atenúa una ondulación de entrada de 1 mV en esta frecuencia a solo 1,78 µV en la salida. Un aumento de 6 dB en PSRR equivale aproximadamente a un aumento en la atenuación por un factor de 2.
La mayoría de los LDO tienen un PSRR relativamente alto en frecuencias más bajas (10 Hz – 1 kHz). Sin embargo, un LDO de rendimiento se distingue por tener un PSRR alto en un amplio espectro de frecuencias (10 Hz – 5 MHz). Tener un PSRR alto 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, PSRR fluctúa según la frecuencia, la temperatura, la corriente, el voltaje de salida y el diferencial de voltaje.
El ruido del propio LDO también debe considerarse 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 con 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 para 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 en condiciones de carga variables. La regulación de carga se define como:
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:
Al igual que la regulación de carga, la regulación de línea es un parámetro de estado estable: se desprecian todos los componentes de frecuencia. El aumento de la ganancia de corriente de circuito abierto de CC mejora la regulación de la línea. [6]
La respuesta transitoria es la variación máxima permitida del voltaje de salida para un cambio de paso de corriente de carga. La respuesta transitoria es 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 carga máxima. -actual ( ). La variación máxima de tensión transitoria se define de la siguiente manera:
[6]
Donde corresponde al ancho de banda de bucle cerrado de un regulador LDO. es la variación de voltaje resultante de la presencia del ESR ( ) del capacitor de salida. La aplicación determina qué tan bajo debe ser este valor.
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 resulta en una reducción de tamaño 10 veces y un ahorro de energía de entre un 10 y un 50 %. [13]
