Entendiendo bajo

Hoy, los dispositivos electrónicos se han reducido de tamaño que nunca. Esto nos permite empaquetar muchas funciones en dispositivos portátiles compactos como relojes inteligentes, rastreadores de actividad física y otros dispositivos portátiles, también nos ayuda a implementar dispositivos IoT remotos para el monitoreo de ganado, seguimiento de activos, etc. Una cosa común entre todos estos dispositivos portátiles es que funcionan con pilas. Y cuando un dispositivo funciona con batería, es importante que los ingenieros de diseño seleccionen componentes que conserven cada milivoltio en su diseño para hacer funcionar el dispositivo durante más tiempo con la batería disponible. Una vez que dicho componente es el regulador de voltaje de baja caída (LDO). En este artículo, aprenderemos más sobre LDO y cómo seleccionar el adecuado para el diseño de su circuito.

¿Qué es un regulador en electrónica?

Un regulador es un dispositivo o un mecanismo bien diseñado que regula algo, aquí el algo generalmente se refiere al voltaje de la corriente. Hay dos tipos de reguladores que se utilizan principalmente en electrónica, el primero es el regulador de conmutación y el segundo es el regulador lineal. Ambos tienen una arquitectura y un subsistema de trabajo diferentes, pero no los discutiremos en este artículo. Pero en pocas palabras, si un regulador controla la corriente de salida, se denomina regulador de corriente. Por el mismo aspecto, los reguladores de voltaje se utilizan para controlar el voltaje.

Diferencia entre LDO y reguladores lineales

Los reguladores lineales son los dispositivos más comunes utilizados para la regulación de la fuente de alimentación y la mayoría de nosotros estaremos familiarizados con dispositivos como 7805, LM317. Pero, la desventaja de usar un regulador lineal en aplicaciones operadas por batería es que aquí el voltaje de entrada de un regulador lineal siempre debe ser mayor que el voltaje de salida regulado. Es decir, las diferencias entre los voltajes de entrada y el voltaje de salida son altas. Por lo tanto, los reguladores lineales estándar tienen algunas limitaciones cuando se requiere que el voltaje de salida regulado sea un valor cercano al voltaje de entrada.

Trabajo de un LDO

LDO es parte de la dinastía de reguladores lineales. Pero, a diferencia de los reguladores lineales normales, en un LDO la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida es menor. Esta diferencia se denomina voltaje de caída. Dado que el LDO tiene un voltaje de caída muy bajo, se denomina reguladores de voltaje de baja caída. Puede pensar en un LDO como una resistencia lineal colocada en serie con la carga para reducir el voltaje al nivel requerido. La ventaja de tener un LDO es que la caída de voltaje a través de él será mucho menor que una resistencia.

Dado que el LDO ofrece un voltaje de caída bajo entre la entrada y la salida, puede funcionar incluso si el voltaje de entrada está relativamente cerca del voltaje de salida. La caída de voltaje en un LDO estará entre 300 mV y 1,5 V como máximo. En algunos LDO, las diferencias de voltaje son incluso inferiores a 300 mV.

La imagen de arriba muestra una construcción LDO simple donde se diseña un sistema de circuito cerrado. Se crea una tensión de referencia a partir de la tensión de entrada y se alimenta a un amplificador diferencial. El voltaje de salida es detectado por un divisor de voltaje y nuevamente alimentado al pin de entrada del amplificador diferencial. Dependiendo de estos dos valores, la salida del voltaje de referencia y la salida del divisor de voltaje, el amplificador produce una salida. Esta salida controla la resistencia variable. Por lo tanto, cualquier valor de estos dos podría alterar la salida del amplificador. Aquí se necesita que la referencia de voltaje sea estable para detectar con precisión el otro. Cuando el voltaje de referencia es estable, una pequeña variación del voltaje de salida se refleja en la entrada del amplificador diferencial a través del divisor de resistencia.El amplificador luego controla la resistencia variable para proporcionar una salida estable. Por otro lado, la referencia de voltaje no depende del voltaje de entrada y proporciona una referencia estable a través del amplificador diferencial, lo que lo hace inmune a los cambios transitorios y también hace que elVoltaje de salida independiente del voltaje de entrada. La resistencia variable que se muestra aquí normalmente será reemplazada por un MOSFET o JFET eficiente en la construcción actual. Los transistores bipolares no se utilizan en LDO debido a los requisitos adicionales de generación de corriente y calor que conducen a una baja eficiencia.

Parámetros a considerar al seleccionar su LDO

Caracteristicas basicas

Como es un dispositivo esencial para garantizar la entrega de energía adecuada a la carga, la primera característica clave es la regulación de la carga y la salida estable. La regulación adecuada de la carga es esencial durante los cambios de corriente de carga. Cuando la carga aumenta o disminuye su consumo de corriente, el voltaje de salida del regulador no debe fluctuar. La fluctuación del voltaje de salida se mide en un rango de mV por amperio de corriente y se llama precisiones. La precisión del voltaje de salida de un LDO varía entre 5 mV y 50 mV, algunos porcentajes del voltaje de salida.

Funciones de seguridad y protección

LDO ofrece características de seguridad básicas al garantizar una entrega de energía adecuada en la salida. Las características de seguridad se incorporan mediante circuitos de protección en la entrada y la salida. Los circuitos de protección son protección contra subtensión (UVLO), protección contra sobretensión (OVLO), protección contra sobretensiones, protección contra cortocircuitos de salida y protección térmica.

En algunas situaciones, el voltaje de entrada proporcionado al regulador puede caer significativamente o aumentar a un valor alto. Esto da como resultado una salida de voltaje y corriente inadecuada del LDO que dañará nuestra carga. Si el voltaje de entrada a través del LDO está más allá de los límites, la protección UVLO y OVLO se activa para proteger el LDO y la carga. El límite inferior para UVLO y los límites máximos de voltaje de entrada se pueden establecer usando divisores de voltaje simples.

El circuito de protección contra sobretensiones ofrece inmunidades al LDO de transitorios y sobretensiones o picos de alta tensión. También es una característica adicional ofrecida por diferentes LDO. La protección contra cortocircuitos de salida es una forma de protección contra sobrecorriente. Si la carga sufre un cortocircuito, la función de protección contra cortocircuitos de un LDO desconecta la carga de la fuente de alimentación de entrada. La protección térmica funciona cuando el LDO se calienta. Durante la operación de calentamiento, el circuito de protección térmica detiene el LDO para evitar que se dañe más.

Características adicionales

Los LDO pueden tener dos pines de control de nivel lógico adicionales para comunicarse con una entrada de microcontrolador. Habilitar el pin a menudo denominado EN y este es un pin de entrada del LDO. Un simple microcontrolador puede cambiar el estado del pin EN de un LDO para habilitar o deshabilitar la salida de energía. Esta es una función útil cuando las cargas deben encenderse o apagarse con fines de aplicación.

El pin Power Good es un pin de salida del LDO. Este pin también se puede conectar con una unidad de microcontrolador para proporcionar una lógica baja o alta dependiendo de la condición de energía. Según el estado de la clavija de buena alimentación, la unidad del microcontrolador puede obtener información sobre el estado de la alimentación a través del LDO.

Limitaciones de LDO

Aunque LDO ofrece una salida adecuada con un voltaje de caída bajo, todavía tiene algunas limitaciones. La principal limitación del LDO es la eficiencia. Es cierto que el LDO es mejor que los reguladores lineales estándar en términos de eficiencia y disipación de potencia, pero sigue siendo una mala elección para las operaciones portátiles relacionadas con baterías donde la eficiencia es la principal preocupación. La eficiencia es incluso pobre si el voltaje de entrada es significativamente más alto que el voltaje de salida. La disipación de calor aumenta cuando la caída de voltaje es mayor. El exceso de energía de desperdicio que se transforma en calor y requiere un disipador de calor, resultó en un aumento del área de PCB y en un costo de componentes. Para una mayor eficiencia, los reguladores de conmutación siguen siendo la mejor opción sobre los reguladores lineales, especialmente los LDO.

¿Debería usar LDO para mi próximo diseño?

Como los LDO ofrecen un voltaje de caída muy bajo, es bueno seleccionar un LDO solo cuando el voltaje de salida deseado esté muy cerca del voltaje de entrada disponible. Las siguientes preguntas pueden ayudarlo a determinar si el diseño de su circuito realmente necesita un LDO

¿El voltaje de salida deseado está cerca del voltaje de entrada disponible? Si es así, ¿cuánto? Es bueno usar LDO si la diferencia entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida es menor a 300 mV
¿Se acepta el 50-60% de eficiencia para la aplicación deseada?
¿Se necesita una fuente de alimentación de bajo ruido?
Si el costo es un problema y simple, menor cantidad de piezas, se necesita la solución que ahorra espacio.
¿Será demasiado caro y voluminoso agregar un circuito de conmutación?

Si ha respondido “SÍ” a todas las preguntas anteriores, entonces LDO podría ser una buena opción. Pero, ¿cuál será la especificación del LDO? Bueno, depende de los siguientes parámetros.

Tensión de salida.
Voltaje de entrada mínimo y máximo.
Corriente de salida.
Paquete de LDO.
El costo y la disponibilidad.
La opción Habilitar y Deshabilitar es necesaria o no.
Opciones de protección adicionales que se requieren para la aplicación. Como protección contra sobrecorriente, UVLO y OVLO, etc.

LDO populares en el mercado

Todos los fabricantes de circuitos integrados de energía, como Texas Instruments, Linear Technology, etc., también tienen algunas soluciones para LDO. Texas Instruments tiene una amplia gama de LDO según las diversas necesidades de diseño, el siguiente cuadro muestra su enorme colección de LDO con una amplia gama de corriente de salida y voltaje de entrada.

Del mismo modo, la tecnología Linear, de dispositivos analógicos, también tiene algunos reguladores de baja caída de alto rendimiento.

LDO - Diseño de ejemplo

Consideremos un caso práctico en el que LDO será obligatorio. Suponga que se necesita una solución de bajo costo, simple y que ahorre espacio para convertir la salida de la batería de litio de 3.7V en una fuente estable de 3.3V 500mA con límite de corriente corto y protección térmica. La solución de energía debe estar conectada con un microcontrolador para habilitar o deshabilitar alguna carga y la eficiencia puede ser del 50-60%. Dado que necesitamos una solución simple y de bajo costo, podemos descartar los diseños de reguladores de conmutación.

Una batería de litio puede proporcionar 4,2 V en condiciones de carga completa y 3,2 V en condiciones de vacío total. Por lo tanto, el LDO se puede controlar para desconectar la carga en una situación de bajo voltaje detectando el voltaje de entrada del LDO mediante la unidad del microcontrolador.

Para sumergir necesitamos, voltaje de salida de 3.3V, 500mA de corriente, opción de activación de pin, recuento bajo de partes, requisitos de caída de alrededor de 300-400 mV, protección contra cortocircuitos de salida junto con la función de apagado térmico, para esta aplicación, mi elección personal de LDO es MCP1825 - Regulador de voltaje fijo 3.3V por microchip.

La lista completa de funciones se puede ver en la siguiente imagen, tomada de la hoja de datos:

A continuación se muestra el diagrama de circuito de MCP1825 junto con el pin-out. El esquema también se proporciona en la hoja de datos, por lo tanto, simplemente conectando algunos componentes externos como la resistencia y el condensador, podemos usar fácilmente nuestro LDO para regular el voltaje requerido con el voltaje mínimo dorp.

LDO: pautas de diseño de PCB

Una vez que haya eliminado el LDO y lo haya probado para que funcione para su diseño, puede continuar con el diseño de la PCB para su circuito. Los siguientes son algunos consejos que debe recordar al diseñar una PCB para componentes LDO.

Si se utiliza un paquete SMD, es esencial proporcionar un área de cobre adecuada en los PCB, ya que los LDO disipan el calor.
El espesor del cobre es un factor importante para un funcionamiento sin problemas. El espesor de cobre de 2 oz (70um) será una buena opción.
C1 y C2 deben estar lo más cerca posible del MCP1825.
El plano de tierra grueso es necesario para problemas relacionados con el ruido.
Utilice Vias para una disipación de calor adecuada en PCB de doble cara.