Die Wahl des richtigen LDO-Reglers mit ultraniedrigem Ruhestrom

Regler mit niedrigem Dropout, bekannt als LDOs, werden heutzutage in vielen Anwendungen eingesetzt, da sie eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Regelung einer Ausgangsspannung darstellen, die von einer höheren Eingangsspannung ausgehend abwärts gewandelt wird. Zudem sind LDO-Linearspannungsregler im Vergleich zu Schaltreglern äußerst rauscharm.

Gleichwohl müssen derartige Regler für einen möglichst geringen Stromverbrauch des Systems auch einen ultraniedrigen Ruhestrom aufweisen (I_Q) und dabei gleichzeitig ein hervorragendes dynamisches Verhalten zeigen, um eine stabile, rauscharme Versorgungsleitung zu gewährleisten, die für die Ansteuerung von IC-Lasten wie Mikroprozessoren, FPGAs und anderen Bauteilen auf der Systemplatine geeignet ist.

In der Praxis gehen ein ultraniedriger Ruhestrom I_Q und gute dynamische Reaktionseigenschaften nicht Hand in Hand. So können sich zwei ähnliche LDOs mit identischen I_Q-Eigenschaften erheblich in ihrem dynamischen Verhalten unterscheiden. Laut einem Anwendungshinweis von ON Semiconductor¹ schließen sich diese beiden Anforderungen häufig gegenseitig aus und stellen eine echte Herausforderung für die Entwickler von Schaltkreisen zur Stromversorgung dar. Dementsprechend gibt es nur wenige LDOs auf dem Markt, die gleichzeitig beide Anforderungen erfüllen können.

Vorspannung für LDOs mit ultraniedrigem I_Q

Laut ON Semi sind die zwei wichtigsten Faktoren, die das dynamische Verhalten eines LDO-Reglers mit ultraniedrigem I_Q beeinflussen, die verwendete Prozesstechnologie und der dazugehörige Schaltkreis. Während eine hochentwickelte Prozesstechnologie wie CMOS oder BiCMOS für einen niedrigen Stromverbrauch und eine hohe Geschwindigkeit der Leistungsbauteile optimiert werden kann, hängt das dynamische Verhalten vom Schaltkreis ab. Durch die Kombination dieser beiden Punkte konnten die Ingenieure von ON Semiconductor vieles mehr erreichen. So zeichnen sich ihre LDOs nicht nur durch einen ultraniedrigen I_Q mit hervorragendem Leitungs- und Lastschwankungsverhalten aus, sondern sind auch äußerst rauscharm und verfügen über einen hohen Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR).

Ähnliche Fortschritte wurden auch von anderen Anbietern erzielt, darunter Linear Technology Corp., Maxim Integrated Products und Texas Instruments. So haben diese LDO-Hersteller für eine Vielzahl von batteriebetriebenen mobilen Anwendungen LDOs mit ultraniedrigem I_Q entwickelt, die äußerst rauscharm sind und sich durch einen hohen PSRR sowie ein schnelles Einschwingverhalten auszeichnen.

CMOS-LDOs mit ultraniedrigem I_Q werden traditionell konstant mit Vorspannung versorgt, um den Erdstromverbrauch (I_GND) über den verfügbaren Bereich von Ausgangsströmen relativ konstant zu halten. Definitionsgemäß bestimmt I_Q I_GND. Der MC78LC von ON Semiconductor ist mit einem I_GND (bzw. I_Q) von 1,5 µA hierfür ein gutes Beispiel. Wie die Ingenieure von ON Semi in ihrem Anwendungshinweis schreiben, besteht der größte Nachteil einer konstanten Vorspannungsversorgung in einem relativ schlechten dynamischen Verhalten. Das betrifft die Last- und Leitungsschwankungen, den PSRR und das Ausgangsrauschen. ON Semi schlägt deshalb vor, dieses Verhalten durch die Verwendung größerer Ausgangskondensatoren zu optimieren. Abbildung 1 zeigt, wie das Über- und Unterschwingverhalten der Lastschwankungen des LDOs MC78LC durch eine Erhöhung des Ausgangskondensatorwerts (C_OUT) von 1 auf 100 µF verbessert wird.

Abbildung 1: Das Über- und Unterschwingverhalten der Lastschwankungen des MC78LC wird durch eine Erhöhung des Ausgangskondensatorwerts (C_OUT) von 1 auf 100 µF verbessert.

In Tabelle 1 sind die Über- und Unterschwingamplituden für drei verschiedene Ausgangskondensatorwerte präzise aufgeführt. Es wird deutlich, dass die Schwingungsamplitude durch die Verwendung eines größeren Ausgangskondensators mit 100 µF erheblich verringert wurde.

	Ausgangskondensator, COUT
	1 μF	10 μF	100 μF
Überschwingen	+560 mV	+180 mV	+80 mV
Unterschwingen	-720 mV	-240 mV	-100 mV

Tabelle 1: Die Schwingungsamplituden des MC78LC für drei verschiedene Werte des Ausgangskondensators C_OUT.

Während die Schwingungsamplitude des LDOs mit einem größeren Ausgangskondensator stark abnimmt, erhöht sich parallel dazu die Einschwingzeit. Daneben findet sich in dem Anwendungshinweis die Vermutung, dass es bei einer Verwendung von größeren Ausgangskondensatoren erforderlich sein könnte, eine Verpolungsschutzdiode zwischen den Pins V_IN und V_OUT zu installieren. Diese schützt den LDO-Regler vor übermäßigem Rückstrom, der ansonsten bei einem plötzlichen Abfall der Eingangsspannung durch die PMOS-Body-Diode fließen könnte. Allerdings weist Pawel Holeksa, Produktmarketing-Ingenieur bei ON Semiconductor, darauf hin, dass eine Erhöhung von C_OUT nicht das gewünschte Verhalten garantiere. Daneben bedeuten größere Ausgangskondensatoren und externe Dioden für Schutzzwecke, dass die Lösung teurer und größer wird.

Geringes Rauschen, hoher PSRR

Um die Einschränkungen einer konstanten Vorspannungsvorsorgung zu umgehen, hat ON Semiconductor deshalb LDOs entwickelt, die sich durch eine intelligente Vorspannungsversorgung auszeichnen. Durch eine Änderung des Erdstroms bzw. des I_Q-Stroms proportional zum Ausgangsstrom zeigen die neuen LDOs nun ein besseres dynamisches Verhalten als LDOs mit konstanter Vorspannungsversorgung. Zwei Beispiele hierfür sind der NCP4681 und der NCP4624, die einen typischen Ruhestrom von 1 µA bzw. 2 µA aufweisen. Abbildung 2 zeigt das Konzept, das in diesen LDOs mit ultraniedrigem I_Q zur Anwendung kommt, wobei der I_GND-Strom proportional zum Ausgangsstrom steigt. Daneben ist zu sehen, dass I_GND zu steigen beginnt, wenn I_OU > 2 mA.

Abbildung 2: Bei NCP4681 und NCP4624, LDOs mit ultraniedrigem I_Q, steigt der Erdstrom I_GND proportional zum Ausgangsstrom.

Wie die Datenblätter für die Regler NCP4681/NCP4624 zeigen, bieten LDOs mit proportionaler Vorspannung im Vergleich zu LDOs mit konstantem I_GND einen deutlich besseren Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) und ein besseres Lastschwankungsverhalten. Im Vergleich zeigt der NCP4681 eine Verbesserung um etwa 15 dB beim PSRR bei 100 Hz und I_OUT = 30 mA. Bei diesen Strom- und Frequenzwerten und einem Ausgang von 1,5 V und einem Eingang von 2,5 V führt das Produktdatenblatt 53 dB für den PSRR an, der auch dann gleich bleibt, wenn der Ausgangsstrom auf 1 mA fällt. Doch auch wenn die Technik der proportionalen Vorspannungsversorgung für bessere dynamische Parameter gegenüber LDOs mit konstantem I_GND sorgt, kann dies für einige anspruchsvolle Anwendungen unter Umständen nicht ausreichend sein.

So erfordern einige Anwendungen ein noch besseres PSRR-Verhalten von LDOs mit ultraniedrigem I_Q. Das bedeutet, dass neben dem Einschwingverhalten auch das Rauschen und der PSRR des LDOs wichtige Merkmale sind, die bei der Wahl von LDO-Reglern mit ultraniedrigem I_Q zu berücksichtigen sind. Als Antwort auf diesen Bedarf hat Texas Instruments die Familie TPS727xx entwickelt – LDOs mit ultraniedrigem I_Q, die sich durch einen sehr hohen PSRR und ein hervorragendes Einschwingverhalten auszeichnen und äußerst rauscharm sind. TI führt diese Eigenschaften auf die Verwendung einer hochentwickelten BiCMOS-Prozesstechnologie und eines PMOS-FET-Passelements zurück. Der TPS72718 mit 250 mA zum Beispiel weist einen I_Q von 7,9 µA mit einem PSRR von 70 dB bei 1 kHz auf, wenn die Ausgangsspannung 1,8 V und die Eingangsspannung 2,3 V bei einem Ausgangsstrom von 10 mA beträgt (Abbildung 3). Bei ähnlichen Eingangs- und Ausgangsbedingungen mit einer Bandbreite von 100 Hz bis 100 kHz beträgt die Ausgangsrauschspannung lediglich 33,5 µVrms.

Abbildung 3: Der LDO TPS72718 mit ultraniedrigem I_Q weist einen PSRR von >70 dB bei 1 kHz auf, wenn die Differenz von Eingang zu Ausgang 0,5 V beträgt und der Ausgangsstrom bei 10 mA liegt.

Auch ON Semiconductor hat zur Verbesserung der dynamischen Parameter unter gleichzeitiger Beibehaltung eines ultraniedrigen I_Q eine neue Technik namens adaptiver Erdstrom umgesetzt. Mithilfe dieser Technik können LDOs den Erdstrom bei einer bestimmten Ausgangsstromhöhe erhöhen, ohne dass dabei das dynamische Verhalten beeinträchtigt wird. Ergebnis sind ausgezeichnete Last- und Leitungsschwankungen sowie ein hervorragendes PSRR-Verhalten mit geringem Ausgangsrauschen. Solche Regler werden weiter optimiert, um empfindliche Analog- und HF-Schaltungen in Umgebungen mit Strom zu versorgen, in denen eine lange Lebensdauer der Batterie sowie kleine Maße wichtig sind.

Zusammengefasst lässt sich sagen, dass moderne LDOs die Vorteile von Prozesstechnologien und Schaltkreisen vereinen, um als LDOs mit ultraniedrigem I_Q zu fungieren, ohne dass dies zu Lasten des Verhaltens von dynamischen Parametern wie Lastschwankungen, PSRR und Ausgangsrauschen geht.

Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die bereitgestellten Links zu den Produktseiten auf der DigiKey-Website.

Referenz

1. Anwendungshinweis AND9089/D, „A Guide to Choosing the Right Ultra-Low I_Q Low Dropout Linear Voltage Regulators“, ON Semiconductor.