Capire i vantaggi e degli svantaggi dei regolatori lineari

I progettisti sono ben consapevoli dell'efficienza dei convertitori c.c./c.c. a commutazione, tuttavia i regolatori lineari sono ancora la scelta migliore per molte applicazioni. Capirne i motivi, contribuirà a garantire che i progettisti facciano la scelta giusta e la implementino correttamente.

Questo articolo confronta i regolatori lineari e a commutazione e mostra come oltre all'efficienza debbano essere presi in debita considerazione anche fattori quali la semplicità, il basso costo e la stabilità.

Regolatori a commutazione: efficienti ma complessi

I regolatori a commutazione sono altamente efficienti e in grado di aumentare la tensione (boost), ridurre la tensione (buck) e invertire la tensione. I chip modulari contemporanei sono compatti, affidabili e disponibili presso molti fornitori. Nonostante i loro numerosi vantaggi, i regolatori a commutazione hanno anche alcuni punti deboli (Tabella 1).

Tabella 1: Confronto delle caratteristiche dei regolatori a commutazione e lineari. (Tabella per gentile concessione di Maxim Integrated)

In primo luogo, sono chip complessi e, di conseguenza, possono essere necessari ulteriori sforzi di progettazione per far funzionare correttamente un nuovo prodotto. In secondo luogo, il livello di integrazione dei regolatori a commutazione odierni può essere costoso e aumenta anche la grandezza del chip. E infine, tutta quella commutazione ad alta frequenza tende a essere rumorosa.

Il ripple di tensione e corrente nei filtri di ingresso e di uscita generato dal funzionamento ad alta frequenza può essere un problema importante per un progetto che utilizza un regolatore a commutazione. Anche se questi problemi possono essere affrontati, ci vogliono tempo e capacità progettuali per farlo.

I regolatori lineari superano tutti i punti deboli principali dei regolatori a commutazione. Sono semplici, a basso costo, richiedono meno componenti esterni e non c'è commutazione che generi un rumore eccessivo. Nell'applicazione giusta, questi dispositivi semplici possono essere una buona scelta, come mostrato nella Tabella 1.

Funzionamento solo buck (riduzione)

La frase chiave nell'ultimo paragrafo è "l'applicazione giusta" perché i regolatori lineari sono soggetti a dei compromessi che, in molti progetti, significano che non funzioneranno o che non sono una scelta adatta.

Ad esempio, i regolatori lineari possono solo ridurre ("buck") della tensione di ingresso. Questo vincolo potrebbe richiedere l'aumento della tensione di alimentazione c.c. di base aggiungendo altre batterie per assicurarsi che sia sufficientemente alta da superare la tensione di ingresso richiesta dall'LDO. Ciò potrebbe significare l'utilizzo di cinque celle con una tensione nominale compresa tra 1 e 1,5 V ciascuna per garantire un'affidabile uscita a 5 V per il ciclo di scarica completo delle batterie. Il costo dell'aggiunta di più celle può presto superare quello di un regolatore a commutazione più costoso che può essere alimentato da un numero inferiore di batterie. Inoltre, le batterie supplementari occupano spazio prezioso.

Oltre a ciò, l'incapacità di un regolatore lineare di aumentare la tensione è un problema quando un componente di un prodotto richiede una tensione maggiore rispetto a tutti gli altri. Allo stesso modo, quando alcuni circuiti analogici richiedono una tensione negativa, il regolatore lineare non può essere utilizzato a causa della sua incapacità di invertire l'alimentazione positiva.

Un regolatore lineare non è efficiente come un dispositivo a commutazione, quindi le batterie non dureranno a lungo. Peggio ancora, se le batterie hanno ancora un po' di carica, ma la loro uscita combinata è inferiore alla tensione minima richiesta dal chip, non ci sarà modo di estrarre la carica residua.

Al contrario, un dispositivo a commutazione può invertirsi per passare alla modalità boost per estrarre l'ultimo livello di carica della batteria.

Tali regolatori buck/boost possono essere molto utili quando la fonte c.c. dalle batterie è inizialmente più alta della tensione di rail effettiva richiesta, ma poi scende al di sotto quando la batteria si scarica. Un dispositivo buck/boost può passare senza interruzioni da una modalità all'altra, ottenendo un rail di uscita al valore desiderato anche se l'uscita della batteria scende sotto il valore del rail.

Nelle applicazioni a potenza molto bassa, una riduzione della vita della batteria può essere accettabile per risparmiare il costo di un regolatore a commutazione. Ad esempio, è improbabile che un consumatore sia felice se la durata della batteria di un prodotto ad alta potenza passa da 12 a 8 ore a causa dell'uso di un regolatore lineare. Diversamente potrebbe accettare una riduzione della durata della batteria da sei a cinque mesi per un prodotto a bassa potenza in cambio di un prezzo di acquisto più economico.

Regione ad alta efficienza dei regolatori lineari

I regolatori lineari possono non avere l'efficienza complessiva di un convertitore o regolatore a commutazione, ma hanno il vantaggio intrinseco di diventare più efficienti quando la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita diminuisce. Quando la tensione di ingresso è appena superiore al valore dell'uscita, il regolatore lineare può raggiungere un'efficienza del 95% - 99%.

Questa caratteristica può significare che l'efficienza complessiva del regolatore lineare in una particolare applicazione può essere migliore di quanto possa suggerire un confronto semplicistico e diretto. È importante considerare l'intero profilo di scarica della batteria durante il funzionamento del prodotto e stabilire l'efficienza media per quel periodo per ottenere un valore preciso (Figura 1).

Figura 1: Efficienza del regolatore lineare rispetto alla tensione della batteria in un sistema che utilizza tre batterie alcaline AA (a 100 mW di carico di potenza costante); notare come l'efficienza del regolatore aumenti verso la tensione di diseccitazione. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Sebbene l'efficienza con batterie completamente cariche sia circa del 73%, l'efficienza media in tutto il ciclo di scarica è dell'85%. Questo è il numero che dovrebbe essere confrontato con la cifra equivalente per un regolatore a commutazione, la cui efficienza non aumenterà al diminuire della tensione della batteria.

Ancora una volta, facendo riferimento alla Figura 1, vediamo che dopo 20 ore mentre le batterie hanno ancora un po' di carica, la differenza di tensioni di ingresso e di uscita è troppo piccola per il dispositivo da regolare che cessa di funzionare. In totale, la quantità cumulativa di energia della batteria che è stata utilizzata per alimentare effettivamente il prodotto è:

Efficienza di regolazione media × percentuale di energia della batteria utilizzata prima del guasto =

85% × 80% = 68%.

La selezione di un circuito integrato con una capacità di tensione di diseccitazione più bassa mette a disposizione una maggiore carica della batteria e, quindi, migliora l'efficienza.

Per "diseccitazione" si intende la differenza tra la tensione di ingresso e uscita appena prima che si interrompa la regolazione. Per l'esempio illustrato nella Figura 1, se il regolatore lineare viene scambiato con un dispositivo con una tensione di diseccitazione migliorata (da 3,4 a 3,0 V), è possibile estrarre dalle batterie ulteriori 2,5 ore e l'utilizzo di energia della batteria migliora fino a:

85% × 90% = 76,5%

Controllare molto attentamente le schede tecniche dei produttori, poiché alcuni cosiddetti dispositivi a "bassa caduta di tensione" (LDO) possono presentare differenze di tensione di ingresso/uscita piuttosto grandi. Ciò significa che si potrebbero spegnere pur avendo ancora batterie molto cariche. Si noti che la tensione di diseccitazione varia in base alla corrente di carico.

Selezione e implementazione di LDO

Il progettista che cerca di selezionare un LDO e quindi di sfruttare i vantaggi di un regolatore lineare per determinate applicazioni può sentirsi facilmente sopraffatto dalle numerose scelte disponibili. Nonostante la sua apparente semplicità, la scheda tecnica per un LDO tipico avrà spesso venti, trenta e anche più grafici prestazionali oltre alla tabella delle specifiche di base. Questi grafici mostrano comportamenti sia statici che dinamici, nonché funzionalità su vari scenari e condizioni operative.

Tra i dispositivi LDO per applicazioni portatili, ci sono decine di dispositivi adatti a un ampio intervallo di tensioni di ingresso e uscita. Alcuni hanno una tensione di uscita fissa, altri hanno uscite regolabili dall'utente e altri ancora possono fornire un rail di uscita negativo. Alcuni LDO sono per uso generale e offrono diverse possibilità alternative, mentre altri sono ottimizzati in uno o più dei loro parametri e quindi assolvono i requisiti di specifiche nicchie applicative. Alcuni esempi illustrano la varietà di LDO disponibili.

Automotive: MAX16910 di Maxim Integrated è un LDO da 200 mA, con corrente di quiescenza ultrabassa per applicazioni nel campo automotive. Oltre alle sue prestazioni di base, è qualificato per le esigenze estremamente rigorose dell'ambiente automotive. Il suo ingresso tollera transitori fino a +45 V, può resistere e funzionare in condizioni di disconnessione della batteria (load-dump) del veicolo, e può funzionare (ed è specificato) nell'intervallo di temperature automotive compreso tra -40 e +125 °C (Figura 2). Funziona con un ingresso da +3,5 a +30 V, ma consuma solo 20 microampere (μA) di corrente di quiescenza in assenza di carico e solo 1,6 μA in modalità di spegnimento controllato dall'utente.

Figura 2: MAX16910 di Maxim Integrated è degno di nota perché soddisfa i severi requisiti del settore automobilistico per funzionalità garantite e funzionamento completamente specificato da -40 a +125 °C. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Tensione negativa: quando si progetta per una tensione negativa, non si tratta semplicemente di utilizzare il convertitore collegato "capovolto" in quanto vi saranno problemi di riferimento di massa e altri problemi di topologia. Invece, è necessario un LDO specifico negativo. La serie ADP7183 di Analog Devices presenta sia ingresso/uscita negativi che un bassissimo rumore (Figura 3).

Questi circuiti integrati funzionano da un ingresso da -2,0 V a -5,5 V e forniscono una corrente di uscita massima di -300 milliampere (mA). Offrono una scelta di 15 opzioni di tensione di uscita fisse da -0,5 V a -4,5 V, o con un'uscita regolabile da -0,5 V a -V_IN + 0,5 V. Inoltre, il rumore in uscita è solo 4 μV_RMS da 100 Hz a 100 kHz e la densità spettrale del rumore è 20 nV/√Hz da 10 kHz a 1 MHz. Infine, il tipico rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) è 75 dB a 10 kHz; 62 dB a 100 kHz; e 40 dB a 1 MHz.

Figura 3: La serie ADP7183 di Analog Devices è destinata ad applicazioni con sorgente negativa/uscita negativa, che in realtà sono piuttosto frequenti; questi dispositivi possono essere configurati per l'uscita fissa (qui, -3,3 V nello schema superiore) o un'uscita regolabile dall'utente (qui, impostata su -2,5 V, schema inferiore). (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Uscita doppia fissa/variabile: per le applicazioni che richiedono più di un singolo LDO, che è una situazione abbastanza comune, Texas Instruments offre il controller lineare doppio LFC789D25 con un'uscita fissa a 2,5 V e una regolabile. Le uscite del controller sono progettate per pilotare MOSFET a canale N esterno, pertanto le correnti possono essere relativamente elevate, fino a 3 A (tipiche). Questo CI si rivolge ad applicazioni come i buffer di tensione per memorie DDR1 (V_DDQ) e V_REF (Figura 4). Il suo riferimento interno fornisce prestazioni compensate in temperatura con una tolleranza del 2%, che è adeguata alla situazione.

Figura 4: Il controller lineare doppio LFC789D25 di Texas Instruments, con un'uscita fissa e una regolabile, soddisfa le esigenze di importanti nicchie di applicazioni, come DDR1 e matrici di memoria simili. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Corrente di quiescenza prossima allo zero: per applicazioni alimentate a batteria in cui per soddisfare gli obiettivi di runtime è fondamentale un uso irrisorio dell'energia disponibile, la famiglia Richtek RT9069 offre una bassissima corrente di quiescenza (I_q) di soli 2 µA. Il loro pin di abilitazione può mettere questi circuiti integrati in uno stato di sospensione profonda in cui la corrente di quiescenza è pari a zero.

Questi LDO operano su un ampio intervallo di ingresso da 3,5 V a 36 V, erogando fino a 200 mA. Sono disponibili con tensioni di uscita fisse di 2,5, 3,3, 5, 9 e 12 V. Sono stabili sull'intero intervallo della tensione di ingresso e su quello della corrente di uscita utilizzando un solo condensatore di uscita ceramico, oltre al condensatore di filtraggio di ingresso standard richiesto dalla maggior parte degli LDO (Figura 5).

Figura 5: La serie Richtek RT9069 è progettata per massimizzare il runtime in applicazioni alimentate a batteria fortemente vincolate, con corrente di quiescenza di appena 2 μA e zero quando in sospensione profonda. (Immagine per gentile concessione di Richtek Technology Corp.)

Ottenere il massimo da un LDO

Mentre gli LDO sono abbastanza semplici da usare, alcune linee guida di base devono essere rispettate per sfruttare i loro vantaggi ed evitare potenziali danni. Queste includono i problemi di progettazione pratica come problemi termici e di assemblaggio, considerazioni sul layout e l'abbattimento del rumore.

Per le problematiche termiche, è essenziale studiare la tabella e il grafico della scheda tecnica per un'area operativa sicura e il declassamento (Figura 6).

Figura 6: Per un LDO, l'area operativa sicura ha una relazione inversa tra la corrente di uscita massima consentita e l'ampiezza del differenziale di tensione ingresso-uscita; inoltre, il tipo di contenitore gioca un ruolo importante, come mostrato dalla differenza tra lo standard SO-8 e i contenitori μMAX a 8 pin proprietari. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

Il declassamento dipende da molte variabili, incluso il contenitore dell'LDO. Un contenitore SOT-23 a 5 pin è in genere classificato per una dissipazione di oltre 500 mW, mentre alcuni contenitori a piazzola esposta sono classificati per un valore di quasi quattro volte superiore. Se l'LDO si trova in una postazione ottimale con un flusso d'aria sufficiente e/o un percorso termico a bassa impedenza, la definizione del declassamento delle prestazioni dovuto all'autoriscaldamento sarà semplice utilizzando i dati del fornitore.

Conclusione

I regolatori lineari hanno il vantaggio di un'uscita molto "pulita" con poco rumore introdotto nella loro uscita c.c., ma possono essere molto meno efficienti dei convertitori a commutazione e non sono in grado di innalzare la tensione di ingresso come le loro controparti commutate.

Tuttavia, esistono applicazioni in cui il regolatore lineare è la scelta preferita e "migliore" per la topologia di convertitore c.c./c.c. in termini di semplicità, costo ed efficienza e in determinate condizioni operative.

Riferimenti

1. "Linear Regulators in Portable Applications", nota applicativa 751, Maxim Integrated
2. "Understanding the Efficiency of an LDO", Texas Instruments