Standardní lineární a spínané regulátory nedosahují účinnosti, která by uspokojila požadavky pro nositelné zařízení. Navíc spínané regulátory vykazují značný šum a jsou zdrojem hluku. Regulátor s nízkým poklesem napětí neboli Low DropOut LDO regulátor je obvykle malých rozměrů. Na desce plošných spojů tak zabírají velmi malou plochu, a to do velikosti 3,0 x 3,0 mm. Jejich výška obvykle nepřesahuje jeden milimetr. LDO regulátory se nabízí ve verzi s pevným nebo ve verzi s nastavitelným výstupním napětím. Tento článek představí základní vlastnosti LDO regulátorů od Diodes Incorporated a jejich praktické použití.

Co je to LDO regulátor?

Funkcí regulátoru napětí je udržovat konstantní výstupní napětí i při změně zátěže a napětí zdroje. Klasický regulátor využívá lineární nebo spínané techniky. LDO regulátory patří do třídy lineárních regulátorů, které ale pracují s velmi nízkým napětím mezi vstupní a výstupní stranou. Stejně jako všechny lineární regulátory jsou LDO regulátory založeny na zpětnovazební regulační smyčce (obrázek 1).

Obrázek 1: LDO regulátor je založen na napěťově řízeném zpětnovazebním obvodu. Bipolární tranzistor PMOS, NMOS nebo PNP funguje jako odpor řízený napětím. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)

LDO regulátor snímá výstupní napětí přes odporový dělič, který upravuje výstupní úroveň napětí. Výstupní napětí je aplikováno na rozdílový zesilovač, kde je porovnáváno s referenčním napětím. Rozdílový zesilovač je v podstatě to, co říká jeho název, to znamená, že zesiluje rozdílový signál. Čili rozdíl napětí mezi referenčním a vstupním signálem. Rozdílový zesilovač řídí různý typ tranzistoru tzv. pass device, aby udržel požadované napětí na výstupu. Rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím je tzv. dropout napětí, které se objeví na tranzistoru.

Pass device v LDO funguje jako odpor s proměnným napětím. Pass device může být PMOS, NMOS nebo bipolární tranzistor PNP. PMOS a PNP tranzistor lze uvést do saturace, čímž se minimalizuje dropout napětí. V případě PMOS FET tranzistoru je dropout napětí přibližně rovno odporu kanálu v sepnutém stavu R_DSON x výstupní proud.

Ukázalo se, že PMOS tranzistor má nejnižší náklady na implementaci. Řada regulátoru AP7361EA od Diody Incorporated používá PMOS tranzistor a dosahuje dropout napětí asi 360 mV pro 3,3 V výstup při zatěžovacím proudu 1 A a přesnosti napětí ±1 % (obrázek 2).

Obrázek 2: Grafy dropout napětí 3,3 V LDO rugulátorů řady AP7361EA jako funkce výstupního proudu při třech různých teplotách. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)

Graf dropout napětí jako funkce výstupního proudu ukazuje konstantní strmost pro každou teplotu, a to indikuje odporovou povahu. Jak je vidět, tak dropout napětí je závislé na teplotě. Přičemž úroveň napětí se zvyšuje s rostoucí teplotou. Výstupní napětí je mnohem nižší než u standardního lineárního regulátoru, který by měl dropout napětí přibližně 2 V.

Výstupní kondenzátor na obrázku 1 je znázorněn se svým vlastním efektivním sériovým odporem (ESR), který ovlivňuje stabilitu celého regulátoru. Zvolený kondenzátor by měl mít ESR pod 10 Ω, aby byla zaručena stabilita při plné provozní teplotě -40° až +85°C. Doporučené typy kondenzátorů jsou vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC), polovodičové E-CAP a tantalové kondenzátory s hodnotami přes 2,2 mF.

Klidový proud I_Q představuje proud odebíraný LDO regulátorem z napájecího zdroje bez připojené zátěže. Klidový proud dodává energii do vnitřních obvodů regulátoru jako je například rozdílový zesilovač a dělič výstupního napětí. V bateriově napájených zařízeních ovlivňuje klidový proud rychlost vybíjení baterie a je obecně navržen tak, aby byl co nejnižší. Řada AP7361EA má typické I_Q 68 μA.

LDO regulátory řady AP7361EA

Řada AP7361EA obsahuje tři typy regulátorů, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3: Řada AP7361EA nabízí regulátory s pevným, nastavitelným výstupním napětím, s nebo bez ovládání zapnutí/vypnutí výstupu. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)

Řada AP7361EA obsahuje typy regulátorů 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 V. Regulátory s nastavitelným výstupním napětím vyžadují uživatelem dodaný externí dělič napětí a mají rozsah výstupního napětí 0,8 až 5 V.  Přesnost výstupního napětí pro všechny typy je ± 1% spolu s rozsahem vstupního napětí 2,2 až 6 V.

Pevné nebo nastavitelné regulátory mohou obsahovat ovládací pin (EN - Enable) pro zapínání/vypínání výstupu. U regulátoru AP7361EA se výstup zapíná nastavením pinu EN do vysoké úrovně a jeho výstup se vypne pokud pin EN bude v nízké úrovni. Pokud se tato funkce nepoužívá, měl by být pin EN připojen ke vstupnímu pinu (IN) čili trvale je výstup povolen. Doba odezvy pinu EN je přibližně 200 μs pro zapnutí a přibližně 50 μs pro vypnutí.

Dalším významným rozdílem mezi jednotlivými typy AP7361EA je druh pouzdra. Regulátory jsou k dispozici v pouzdrech U-DFN3030-8 (Typ E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) a SO-8EP. Porovnání pevných regulátorů( AP7361EA-33DR-13 , AP7361EA-10ER-13 ) a nastavitelných regulátorů ( AP7361EA-FGE-7 , AP7361EA-SPR-13 ) je uvedeno v tabulce 1.

Tabulka 1: Ukázka vlastností pevných a nastavitelných regulátorů napětí AP7361EA. (Zdroj tabulky: Art Pini, s použitím dat od společnosti Diodes Inc.)

Všechny regulátory řady AP7361EA jsou chráněny proti zkratu a nadproudu. Tepelné vypnutí nastane, když se teplota regulátoru zvýší na 150 °C, a provoz je obnoven, jakmile dojde k poklesu teploty pod cca 130°C.

Regulace výstupu při kolísání zátěže a vstupního napětí

Existují dvě příčiny, při kterých je nutné regulovat výstup. První z nich je regulace výstupu, když dochází ke změně výstupního proudu do zátěže. Tato regulace je zvlášť důležitá u zařízení napájených bateriemi, kde řídicí jednotky často vypínají nepoužívané podsystémy. Regulátory řady AP7361EA mají maximální kolísání výstupu 1,5 % pro výstupní úrovně 1 až 1,2 V a 1 % pro výstupy 1,2 až 3,3 V (obrázek 4).

Obrázek 4: Regulace při změně výstupního proudu pro výstupní napětí 3,3 V. Maximální odchylka výstupu je přibližně 0,15 % ( 5,0 mV ) pro změnu zátěže od 100 do 500 mA. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)

Změna výstupu, která při této regulaci dochází, se vypočítá jako poměr změny maximálního výstupního napětí k jmenovitému výstupnímu napětí. Ve výše uvedeném příkladu je maximální odchylka výstupu asi 5,0 mV pro změnu zátěže 100 mA až 500 mA. Parametr vyjadřující schopnost regulace při změně výstupního proudu se označuje „Load Regulation“ a v našem příklade to je 0,005/3,3 nebo 0,15 %.

Druhá regulace výstupního napětí nastává při změně vstupního napětí a tuto schopnost najdeme pod parametrem „Line regulation“. Řada AP7361EA má maximální hodnotu této 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 vyvolat změnu na výstupu menší než 0,33 % jmenovitého 3,3 V výstupu (obrázek 5).

Obrázek 5: Změna vstupního napětí ze 4,3 na 5,3 voltu má za následek 0,05% změnu výstupního napětí. (Zdroj obrázku: Diodes Incorporated)

Obrázek 5 ukazuje charakteristiku regulace výstupu při změně vstupního napětí. Změna zdrojového napětí ze 4,3 na 5,3 voltů má za následek 0,05% změnu výstupní úrovně, to znamená asi 1,65 mV.

Z grafů vyplývá, že při kolísání vstupního napětí i při kolísání proudu tekoucí do zátěže výstupní napětí vykazuje rychlé zotavení z přechodných událostí. Tato vlastnost je důležitá při restartování procesů v nositelných zařízeních, kde musí být napájecí sběrnice zapnutá a funkční, než bude možné restartovat vypnuté nepotřebné obvody.

Power Supply Rejection Ratio neboli PSRR parametr

Power Supply Rejection Ratio nebo také Power Supply Ripple Rejection (PSRR) je míra odmítnutí napájecího zdroje vyjádřená jako logaritmický poměr výstupního šumu k vstupnímu šumu. PSRR poskytuje míru toho, jak dobře obvod eliminuje zvlnění různých frekvencí injektované na jeho vstup.

LDO regulátory produkují mnohem méně šumu i hluku než spínané napájecí zdroje (SMPS) nebo výkonové měniče. V mnoha aplikacích se LDO používá u každé části obvodu zvlášť a hlavním zdrojem energie je spínaný zdroj SMPS. Díky řídicímu systému v rámci LDO mají tendenci potlačovat šum a zvlnění ze vstupního zdroje. Měřítkem tohoto potlačení šumu je právě parametr PSRR (obrázek 6).

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

PSRR se vypočítává na základě poměru střídavých složek na vstupu a na výstupu, jak je znázorněno na obrázku 6. PSRR v řadě AP7361EA je frekvenčně závislé 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 přes 5600:1. Zvlnění 10mV nebo šumový signál při 1 kHz by byl zeslaben na přibližně 1,7 µV.

Praktický příklad

Typické použití LDO s nastavitelným výstupem je znázorněn na obrázku 7. Obsahuje AP7361EA-SPR-13 a externí dělič výstupního napětí.

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

Hodnoty rezistoru pro dělič lze vypočítat pomocí rovnic znázorněných na obrázku 7 vpravo dole. Hodnota R2 by měla být udržována na méně než 80 kΩ, aby byla zajištěna stabilita interní napěťové reference. 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 o hodnotě 124 kΩ a 1% přesností.

Závěr

LDO regulátory jsou lineární regulátory napětí, které pracují s nízkými rozdíly napětí na vstupu a výstupu a s velmi nízkými klidovými proudy. Nabízejí vysokou energetickou účinnost s nízkou hlučností, šumem a velmi malými rozměry. Díky tomu jsou vhodné pro nositelná zařízení, kde prodlužují životnost baterie a zvyšují spolehlivost celého produktu.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com