È finalmente arrivato il momento di dire addio agli LDO e optare per i minuscoli regolatori a commutazione?

Lo ammetto: nonostante il tanto parlare dei regolatori a commutazione, io ho sempre un debole irrazionale (e forse anche un po' razionale) per gli LDO, i regolatori a bassa caduta di tensione. I motivi? Soprattutto perché sanno fare una cosa, la fanno bene, in modo semplice, e senza particolari problemi o sorprese. Inoltre, i primi dispositivi per la regolazione della potenza che ho usato sono stati proprio gli LDO, e hanno sempre fatto il loro dovere con i miei circuiti. Anche adesso, quando ho bisogno di un rail da pochi volt e più o meno 1 ampere di corrente, penso subito a un LDO base a tre terminali, e non a un regolatore a commutazione (commutatore).

Non è un segreto che gli LDO in genere abbiano un'efficienza inferiore rispetto ai regolatori a commutazione, ma a livelli di corrente bassi (circa 1 ampere) la differenza è poca e potrebbe non essere fondamentale in un determinato circuito. Con più ampere, invece, la differenza di solito è rilevante, a tal punto che un LDO non è una soluzione consigliabile, a meno che non si necessiti di un rail a rumore ultrabasso. Ma anche per queste situazioni ci sono regolatori a commutazione davvero buoni e a rumore molto basso. Inoltre, sebbene per equalizzare l'assorbimento di corrente sia possibile inserire in parallelo alcuni tipi di LDO e tra di loro resistori bleeder con basso valore ohmico, in realtà questo comportamento può risultare complesso in termini di stesura dello schema, ingombro, distinta base e quantificazione delle prestazioni.

Eppure gli LDO non mancano mai nella distinta base di un ingegnere. Sono così facili da usare che molti progettisti li fanno spuntare come funghi attorno a una scheda a circuiti stampati ogni volta che serve una buona regolazione nei pressi del CI o del sottocircuito. In questo modo, riducono la caduta ohmica e il rumore sul rail di alimentazione, e sopperiscono ad altri svantaggi che si presentano quando la fonte di alimentazione si trova lontana dal carico.

Ma i tempi cambiano...

Ciononostante, inizio a chiedermi se sia ancora il caso di inserire LDO in questi design-in di base. I regolatori a commutazione per bassa corrente incapsulati oggi hanno caratteristiche paragonabili a quelle degli LDO per quanto riguarda facilità d'uso, dimensioni, necessità di componenti passivi esterni e semplicità generale di design-in. Se confrontiamo "a scatola nera" questi regolatori incapsulati con gli LDO in un circuito, non è facile vedere la differenza tra un LDO a 1 ampere e un regolatore incapsulato multiampere.

Inoltre, mentre un LDO può solo eseguire la conversione step-down (buck), ci sono convertitori buck, boost e anche buck/boost in grado di passare automaticamente tra le due modalità. Si tratta di un aspetto importante, perché molti circuiti funzionano con una sola cella agli ioni di litio, e la modalità buck/boost è necessaria per regolare la batteria da completamente carica a parzialmente scarica.

Esempi (e aspetto economico)

Prendiamo in considerazione LTM8074 (LTM8074EY#PBF), un regolatore µModule silenzioso di Analog Devices (Figura 1). Ha un ampio intervallo di tensione sia in ingresso (da 3,2 a 40 V) che in uscita (da 0,8 a 12 V), fornisce 1,2 ampere di corrente continua (24 V in ingresso e 5 V in uscita) e raggiunge 1,75 ampere di corrente di picco in uscita con 3,3 V in uscita. Quello che mi ha veramente colpito sono le dimensioni veramente ridotte. Come dispositivo BGA misura solo 4x4x1,82 mm di altezza.

Figura 1: LTM8074 è un regolatore a commutazione di semplice utilizzo, con ingombro minimo sia per il modulo che per il circuito in generale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per funzionare, servono solo due condensatori (1 µF e 10 µF) e due resistori. È quindi semplice inserirlo in un circuito e usarlo come si farebbe con un LDO, ma con maggiore potenza e minore ingombro. L'induttore (che normalmente si associa a un commutatore) è embedded, quindi dal punto di vista del progettista non fa parte della distinta base e non occupa spazio. In più, le emissioni EMI sono piuttosto ridotte, praticamente al pari di un LDO (figura 2).

Figura 2: Emissioni di classe B CISPR22 per LTM8074 con la scheda dimostrativa DC2753A e VOUT = 3,3 V, carico di 1,2 A e senza filtro EMI (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Un altro produttore di questi piccolissimi moduli di commutazione con le stesse funzioni degli LDO è Texas Instruments, con LMZ10501 (LMZ10501SILR), un nanomodulo a 1 A con intervallo della tensione in ingresso da 2,7 a 5,5 V, e in uscita da 0,6 a 3,6 V (Figura 3).

Figura 3: LMZ10501 di Texas Instruments ha un ingombro di 3,00×2,60 mm, incluso l'induttore. Esternamente, per funzionare ha bisogno di tre condensatori ceramici e due resistori. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

LMZ20501 ha bisogno solo di tre condensatori ceramici e due resistori, e integra anche l'induttore in un contenitore a 8 pin che misura solo 3×2,60 mm (Figura 4). Di certo non ha l'aspetto di un CI standard.

Figura 4: L'induttore LMZ10501 di Texas Instruments è parte integrante del design fisico del nanomodulo e permette di risparmiare spazio e componenti aggiuntivi. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Questi microscopici commutatori fanno concorrenza agli LDO anche a bassi intervalli di corrente, un campo di impiego in cui questi ultimi da tempo hanno dalla loro dimensioni e facilità d'uso. Ad esempio, MAXM15462 di Maxim Integrated è un modulo c.c./c.c. step-down sincrono ad alta efficienza, con controller integrato, MOSFET, componenti di compensazione e induttore, funzionante in un ampio intervallo di tensione in ingresso (Figura 5). Accetta dai 4,5 ai 42 V in ingresso e fornisce una corrente di uscita massima di 300 mA e una tensione di uscita programmabile da 0,9 a 5 V. Il minuscolo contenitore uSLIC™, che misura 2,6×3×1,5 mm, richiede tre condensatori (due a 1 µF e uno a 10 µF) e due resistori.

Figura 5: Il regolatore a commutazione MAXM15462 da 300 mA in uscita di Maxim Integrated è competitivo in termini di dimensioni anche con gli LDO a bassa corrente. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

I vantaggi offerti da questi piccolissimi commutatori vanno oltre le dimensioni inferiori e la maggiore efficienza rispetto agli LDO con caratteristiche paragonabili. A seconda del dispositivo adottato, includono infatti interessanti (e a volte necessarie) caratteristiche come avvio graduale per ridurre la corrente di inserzione in ingresso, un pin di uscita "Power Good" e una soglia programmabile per il blocco di sottotensione (UVLO).

Quindi, è arrivato il momento di cambiare?

A volte bisogna dimenticare le proprie abitudini e sfruttare i vantaggi del progresso tecnologico. Conosco ingegneri che progettano prodotti con amplificatori operazionali usciti sul mercato vent'anni fa, soprattutto perché li conoscono e sanno come si comportano, nel bene e nel male. Anche se questa strategia in un certo senso può sembrare ragionevole, può anche privare il design finale della capacità di fare di più, risparmiare o occupare meno spazio.

I regolatori di potenza come gli LDO potranno essere usati ancora ogni anno da milioni e miliardi di nuovi design-in. I regolatori a commutazione di bassa potenza, però, offrono molto di più in termini di prestazioni avanzate, comportamento, facilità d'uso ed efficienza, il tutto in dimensioni veramente ridotte. Nonostante un primo impulso di inserire il famigliare LDO nella distinta base, non prenderli nemmeno in considerazione sarebbe quasi negligenza professionale.

Quindi, mentre ci riflettete, andrò a dare un'occhiata al carburatore della mia auto. Credo che la valvola a spillo abbia bisogno di una pulitina e il galleggiante di una regolata.