Principi base degli LDO e come applicarli per prolungare la durata delle batterie in dispositivi portatili e indossabili

I moderni dispositivi elettronici sono sempre più piccoli e portatili. Smartwatch, fitness tracker, sistemi di sicurezza e dispositivi per Internet delle cose (IoT) sono sempre più alimentati a batteria. Per questo richiedono regolatori di potenza ad alta efficienza che spremano ogni milliwatt da ogni carica per tenere il dispositivo in funzione il più a lungo possibile. Devono inoltre funzionare con un aumento minimo della temperatura. I regolatori lineari tradizionali e i regolatori di potenza a commutazione non possono raggiungere facilmente le efficienze richieste per questi dispositivi portatili. Inoltre, i regolatori di potenza a commutazione sono soggetti a rumore e tensioni transitorie.

Il regolatore a bassa caduta di tensione (LDO), la più recente aggiunta alla linea di regolatori lineari e a commutazione, sfrutta il funzionamento con cadute di tensione molto basse per migliorare l'efficienza e ridurre la dissipazione termica. Le varianti di LDO sono adatte alle applicazioni a bassa-media potenza, per le quali possono essere disponibili in contenitori di dimensioni pari a 3 × 3 x 0,6 mm. Sono disponibili versioni con tensioni di uscita fisse o regolabili, nonché alcune versioni con controllo on-off tramite una linea di abilitazione dell'uscita.

Questo articolo esamina i principi base dei regolatori a bassa caduta di tensione e le loro caratteristiche principali rispetto ai tradizionali regolatori di potenza lineari e a commutazione. Presenta quindi alcuni dispositivi LDO reali di Diodes Incorporated e ne illustra l'utilizzo.

Che cos'è un regolatore LDO?

La funzione di un regolatore di tensione è quella di mantenere costante la tensione di uscita in presenza di variazioni della tensione di carico e sorgente. I circuiti regolatori di tensione tradizionali sono lineari o a commutazione. I regolatori LDO appartengono alla classe dei regolatori lineari, ma funzionano con tensioni molto basse tra i terminali di ingresso e di uscita. Come tutti i regolatori di tensione lineari, un LDO si basa su un anello di controllo a retroazione (Figura 1).

Figura 1: Un regolatore LDO si basa su un circuito di retroazione controllato in tensione. Il dispositivo passante in serie, che può essere un transistor bipolare PMOS, NMOS o PNP, funge da resistore controllato in tensione. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Il regolatore LDO rileva la tensione di uscita attraverso un divisore di tensione resistivo che scala il livello di uscita. La tensione di uscita scalata viene applicata a un amplificatore di errore, dove viene confrontata con una tensione di riferimento. L'amplificatore di errore pilota il dispositivo passante in serie per mantenere la tensione desiderata sul terminale di uscita. La differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita è la tensione di caduta, che si manifesta attraverso il dispositivo di passante.

Il dispositivo passante in serie di un LDO funge da resistore a tensione variabile. Il dispositivo passante in serie può essere un semiconduttore in metallo-ossido a canale P (PMOS), un semiconduttore in metallo-ossido a canale N (NMOS) o un transistor bipolare PNP. I dispositivi PMOS e PNP possono essere portati in saturazione, riducendo al minimo la tensione di caduta. Nel caso di un transistor a effetto di campo (FET) PMOS, la tensione di caduta è pari circa alla resistenza nello stato On del canale (RDSOn) moltiplicata per la corrente di uscita. Sebbene ciascuno di questi dispositivi presenti vantaggi e svantaggi, il dispositivo PMOS ha il costo di implementazione più basso. La serie AP7361EA di Diodes Incorporated comprende regolatori LDO a uscita positiva e utilizza un dispositivo passante PMOS per raggiungere una tensione di caduta di circa 360 mV per un'uscita di 3,3 V a una corrente di carico di 1 A e una precisione di tensione di ±1% (Figura 2).

Figura 2: I grafici mostrano la tensione di caduta dell'LDO da 3,3 V serie AP7361EA in funzione della corrente di uscita a tre diverse temperature. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Il grafico della tensione di caduta in funzione della corrente di uscita evidenzia una pendenza costante per ogni temperatura, questo è indicativo della sua natura resistiva. La tensione di caduta dipende in qualche modo dalla temperatura e il livello aumenta con l'aumentare della temperatura. Si noti che la tensione di caduta dell'LDO è molto più bassa di quella di un regolatore di potenza lineare convenzionale, che avrebbe una tensione di caduta di circa 2 V.

Il condensatore di uscita nella Figura 1 è mostrato con la sua resistenza equivalente in serie (ESR), che influisce sulla stabilità del regolatore. Il condensatore selezionato deve avere una ESR inferiore a 10 Ω per garantire la stabilità a tutte le temperature di funzionamento, da -40 a +85 °C. I tipi di condensatori suggeriti includono condensatori ceramici multistrato (MLCC), condensatori elettrolitici a stato solido e condensatori al tantalio con valori superiori a 2,2 µF.

La corrente di quiescenza, I_Q, rappresenta la corrente assorbita a vuoto dalla fonte di alimentazione da parte dell'LDO. La corrente di quiescenza alimenta i circuiti interni dell'LDO, come l'amplificatore di errore e il divisore di tensione di uscita. Nei dispositivi alimentati a batteria, la corrente di quiescenza influisce sulla velocità di scarica della batteria ed è generalmente tenuta al livello più basso possibile. La serie AP7361EA di Diodes Incorporated ha un I_Q tipico di 68 mA.

Gli LDO serie AP7361EA

La serie AP7361EA comprende tre configurazioni circuitali alternative, come illustra la Figura 3.

Figura 3: La serie AP7361EA offre dispositivi a tensione di uscita fissa o regolabile, con o senza controllo di abilitazione. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

La serie AP7361EA comprende versioni con tensioni di uscita fisse o regolabili. Le versioni a tensione fissa prevedono divisori di tensione interni e offrono livelli di tensione di uscita di 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 o 3,3 V. I dispositivi di uscita regolabili richiedono un divisore di tensione esterno fornito dall'utente e hanno un intervallo di tensione di uscita compreso tra 0,8 e 5 V. La specifica di precisione della tensione di uscita per tutte le versioni è di ±1%, con un intervallo della tensione di ingresso compreso tra 2,2 e 6 V.

Le versioni fisse o regolabili possono includere una linea per il controllo di abilitazione (EN). AP7361EA si accende impostando il pin EN alto e si spegne portandolo in basso. Se questa funzione non viene utilizzata, il pin EN deve essere associato al pin di ingresso (IN) per mantenere sempre attiva l'uscita del regolatore. Il tempo di risposta della linea di abilitazione è di circa 200 ms per l'accensione e di circa 50 ms per lo spegnimento.

L'altra differenza significativa tra i dispositivi AP7361EA è il contenitore fisico. La serie è disponibile nei contenitori U-DFN3030-8 (tipo E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) e SO-8EP.

La Tabella 1 riporta alcuni esempi di prodotti AP7361EA, tra cui le versioni fisse (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) e regolabili (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13).

Tabella 1: Esempio delle configurazioni a tensione fissa e regolabile della serie AP7361EA. (Tabella per gentile concessione di Art Pini, basata su dati di Diodes, Inc.)

I dispositivi serie AP7361EA sono tutti protetti contro i cortocircuiti e le sovracorrenti. La protezione da cortocircuito e sovracorrente prevede un limite di corrente di foldback di 400 mA se la corrente di uscita supera il limite di corrente, tipicamente 1,5 A. L'arresto termico si verifica quando la temperatura di giunzione del dispositivo raggiunge i 150 °C nominali e il funzionamento si ripristina quando scende sotto i 130 °C circa.

Regolazione di carico e linea

La regolazione del carico descrive la capacità dell'LDO di mantenere la sua tensione di uscita nonostante le variazioni della corrente di carico in uscita. Questo è importante nei dispositivi portatili alimentati a batteria, dove i controller spesso spengono i sottosistemi quando non sono in uso. La serie di LDO AP7361EA ha una regolazione del carico massima specificata dell'1,5% per livelli di uscita da 1 a 1,2 V e dell'1% per uscite da 1,2 a 3,3 V (Figura 4).

Figura 4: Esempio di grafico di regolazione del carico per un'uscita a 3,3 V. La variazione massima dell'uscita è dello 0,15% circa o di circa 5,0 mV per una variazione del carico da 100 a 500 mA per l'uscita nominale di 3,3 V. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

La regolazione del carico è calcolata come rapporto tra la variazione massima della tensione di uscita e la tensione di uscita nominale. Nell'esempio precedente, la variazione massima dell'uscita è di circa 5,0 mV per una variazione del carico da 100 a 500 mA. Quindi, la regolazione del carico è pari 0,005/3,3 o 0,15%.

La variazione di linea specifica la variazione dell'uscita per una variazione della tensione di sorgente per ogni volt di uscita. La serie AP7361EA ha una specifica di regolazione della linea massima dello 0,1% per volt (%/V) a temperatura ambiente e dello 0,2%/V nell'intero intervallo di temperatura. Per un'uscita a 3,3 V, una variazione del livello di ingresso di 1 V dovrebbe comportare una variazione del livello di uscita inferiore allo 0,33% dell'uscita nominale a 3,3 V (Figura 5).

Figura 5: Grafico della regolazione della linea per un diodo AP7361EA funzionante con un'uscita di 3,3 V. Una variazione della tensione di ingresso da 4,3 a 5,3 V comporta una variazione dello 0,05% della tensione di uscita. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

La Figura 5 mostra la caratteristica di regolazione della linea dell'LDO. Una variazione della tensione di sorgente, da 4,3 a 5,3 V, comporta una variazione dello 0,05% del livello di uscita, pari a circa 1,65 mV.

Si noti che in entrambe le condizioni di variazione della linea e del carico, l'uscita mostra un recupero rapido dagli eventi transitori. Questo è importante quando si riavviano i processi nelle apparecchiature portatili, dove il bus di alimentazione deve essere attivo e funzionante prima che i circuiti silenziati possano essere riavviati.

Rapporto di reiezione dell'alimentazione

Essendo circuiti lineari, gli LDO producono molto meno rumore rispetto agli alimentatori a commutazione (SMPS) o ai convertitori di potenza. In molte applicazioni, un LDO viene utilizzato localmente sulla scheda di circuito, ma la fonte di alimentazione è un SMPS. Il sistema di controllo di un LDO tende a sopprimere il rumore e il ripple della fonte di alimentazione in ingresso. La misura di questa soppressione del rumore è il rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) (Figura 6).

Figura 6: Il PSRR è calcolato in base ai segnali in corrente alternata misurati all'ingresso e all'uscita dell'LDO. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

Il PSRR si calcola in base al rapporto tra le componenti in c.a. dell'ingresso e quelle dell'uscita, come mostra la Figura 6. Il PSRR della serie AP7361EA dipende dalla frequenza e diminuisce con l'aumentare della frequenza. Il PSRR è di 75 dB a 1 kHz e scende a 55 dB alla frequenza di 10 kHz. 75 dB rappresentano un'attenuazione di oltre 5600:1. Un segnale di ripple o di rumore di 10 mV a 1 kHz verrebbe attenuato a circa 1,7 µV.

Esempio di applicazione

Un'applicazione tipica di un LDO a uscita regolabile è illustrata nella Figura 7. Include un'abilitazione dell'uscita simile a quella di AP7361EA-SPR-13 e un divisore di tensione di uscita esterno.

Figura 7: Esempio di utilizzo di un LDO a uscita regolabile che richiede un divisore di tensione di uscita esterno. L'equazione (in basso a destra) mostra la relazione tra i resistori R1 e R2 per la tensione di uscita desiderata e la tensione di riferimento interna. (Immagine per gentile concessione di Diodes Incorporated)

I valori del divisore resistivo possono essere calcolati utilizzando le equazioni mostrate in basso a destra nella Figura 7. Il valore di R2 deve essere mantenuto inferiore a 80 kΩ per garantire la stabilità del riferimento di tensione interno. Per un'uscita di 2,4 V con una tensione di riferimento di 0,8 V e R2 pari a 61,9 kΩ, il valore di R1 è di 123,8 kΩ. Sarebbe dunque adatto un resistore da 124 kΩ, 1%.

Conclusione

Gli LDO sono regolatori di tensione lineari che funzionano con basse differenze di tensione tra ingresso e uscita e con basse correnti di quiescenza. Offrono un'elevata efficienza energetica, un basso livello di rumore e piccole dimensioni. Sono particolarmente adatti per i dispositivi portatili alimentati a batteria, dove ne prolungano la durata e ne migliorano l'affidabilità.