De grondbeginselen van LDO's en hoe ze toe te passen om de levensduur van batterijen in draagbare apparaten en wearables te verlengen

Moderne elektronische apparaten worden steeds kleiner en draagbaarder. Smartwatches, fitnesstrackers, beveiligingssystemen en Internet of Things-apparaten (IoT) werken steeds vaker op batterijen. Daarom hebben ze zeer efficiënte stroomregelaars nodig die elke milliwatt stroom uit elke lading persen om het apparaat langer te laten werken. Zij moeten ook werken met een minimale temperatuurstijging. Traditionele lineaire regelaars en geschakelde vermogensregelaars kunnen niet gemakkelijk de voor deze draagbare apparaten vereiste efficiëntie bereiken. Bovendien hebben geschakelde vermogensregelaars ook te lijden onder ruis en transiënte spanningen.

De low-dropout spanningsregelaar (LDO), de meest recente toevoeging aan de lijn van lineaire en schakelende regelaars, maakt gebruik van het werken met zeer lage spanningsverliezen over de regelaar om de efficiëntie te verbeteren en de thermische dissipatie te verlagen. Varianten van LDO's zijn zeer geschikt voor toepassingen met een laag tot gemiddeld vermogen, waarvoor zij in verpakkingen van slechts 3 × 3 x 0,6 millimeter (mm) kunnen worden geleverd. Versies met vaste of instelbare uitgangsspanningen zijn beschikbaar, evenals enkele versies met aan-uitregeling via een uitgangsvrijgavelijn.

In dit artikel worden de basisprincipes van low-dropout-regelaars en hun belangrijkste kenmerken ten opzichte van traditionele lineaire en geschakelde vermogensregelaars onderzocht. Vervolgens worden echte LDO-apparaten van Diodes Incorporated geïntroduceerd en wordt getoond hoe ze worden toegepast.

Wat is een LDO-regelaar?

De functie van een spanningsregelaar is het handhaven van een constante uitgangsspanning bij veranderingen in belasting en bronspanning. Traditionele spanningsregelaarcircuits maken gebruik van lineaire of geschakelde ontwerpen. LDO-regelaars behoren tot de klasse van de lineaire regelaars, maar werken met zeer lage spanningen tussen de ingangs- en uitgangsklemmen. Zoals alle lineaire spanningsregelaars is de LDO gebaseerd op een terugkoppelingsregelkring (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een LDO-regelaar is gebaseerd op een spanningsgestuurde terugkoppeling. De seriepasseerder, die een PMOS, NMOS of PNP bipolaire transistor kan zijn, werkt als een spanningsgestuurde weerstand. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

De LDO-regelaar registreert de uitgangsspanning via een resistieve spanningsdeler die het uitgangsniveau schaalt. De geschaalde uitgangsspanning wordt toegepast op een foutversterker, waar deze wordt vergeleken met een referentiespanning. De foutversterker drijft de seriepas aan om de gewenste spanning op de uitgangsaansluiting te handhaven. Het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning is de uitvalspanning, die over het passeerapparaat staat.

De seriepasseerinrichting in een LDO werkt als een spanningsvariabele weerstand. De seriepasseerinrichting kan een P-kanaals metaaloxidehalfgeleider (PMOS), een N-kanaals metaaloxidehalfgeleider (NMOS) of een PNP bipolaire transistor zijn. PMOS- en PNP-apparaten kunnen in verzadiging worden gebracht, waardoor de uitvalspanning wordt geminimaliseerd. Bij een PMOS-veldeffecttransistor (FET) is de uitvalspanning ongeveer gelijk aan de kanaal-aan-weerstand (R_DSON) maal de uitgangsstroom. Hoewel elk van deze apparaten voor- en nadelen heeft, blijkt het PMOS-apparaat de laagste uitvoeringskosten te hebben. De Diodes Incorporated AP7361EA-serie positieve output LDO-regelaars gebruikt een PMOS pass device en bereikt een dropout spanning van ongeveer 360 millivolt (mV) voor een 3,3 volt uitgang bij een belastingsstroom van 1 ampère (A), en een spanningsnauwkeurigheid van ±1% (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Weergegeven zijn plots van de uitvalspanning van de AP7361EA-serie 3,3 volt LDO als functie van de uitgangsstroom bij drie verschillende temperaturen. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

De grafiek van de uitvalspanning als functie van de uitgangsstroom vertoont een constante helling voor elke temperatuur, hetgeen wijst op het resistieve karakter ervan. De uitvalspanning is enigszins temperatuurafhankelijk, waarbij het niveau toeneemt met toenemende temperatuur. Merk op dat de LDO-uitvalspanning veel lager is dan die van een conventionele lineaire vermogensregelaar, die een uitvalspanning van ongeveer 2 volt zou hebben.

Merk op dat de uitgangscondensator in Afbeelding 1 is weergegeven met zijn inherente effectieve serieweerstand (ESR), die de stabiliteit van de regelaar beïnvloedt. De geselecteerde condensator moet een ESR hebben van minder dan 10 ohm (Ω) om stabiliteit te garanderen over de volledige bedrijfstemperatuur van -40 ° tot +85 °C. Voorgestelde condensatortypes zijn meerlaagse keramische condensatoren (MLCC), E-CAP's in vaste toestand en tantaalcondensatoren met waarden van meer dan 2,2 microfarads (mF).

De ruststroom, I_Q, is de stroom die de LDO zonder belasting uit de voedingsbron trekt. De ruststroom voedt de interne circuits van de LDO, zoals de foutversterker en de uitgangsspanningsdeler. In apparaten die op batterijen werken, is de ruststroom van invloed op de ontladingssnelheid van de batterij en wordt deze doorgaans zo laag mogelijk gehouden. De Diodes Incorporated AP7361EA serie heeft een typisch I_Q van 68 mA.

De AP7361EA-serie LDO's

De AP7361EA-serie omvat drie alternatieve circuitconfiguraties, zoals weergegeven in Afbeelding 3.

Afbeelding 3: De AP7361EA-serie biedt apparaten met vaste of instelbare uitgangsspanning, met of zonder vrijgavecontrole. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

De AP7361EA-serie omvat versies met vaste of instelbare uitgangsspanningen. De versies met een vaste spanning hebben interne spanningsverdelers en bieden uitgangsspanningsniveaus van 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 of 3,3 volt. De regelbare uitgangen vereisen een door de gebruiker geleverde externe spanningsdeler en hebben een uitgangsspanningsbereik van 0,8 tot 5 volt. De nauwkeurigheid van de uitgangsspanning voor alle versies is ± 1%, samen met een ingangsspanningsbereik van 2,2 tot 6 volt.

De vaste of instelbare versies kunnen een enable-controlelijn (EN) bevatten. De AP7361EA wordt ingeschakeld door de EN-pin hoog te zetten en wordt uitgeschakeld door deze laag te zetten. Als deze functie niet wordt gebruikt, moet de EN-pin worden verbonden met de ingangspen (IN) om de uitgang van de regelaar altijd ingeschakeld te houden. De reactietijd voor de vrijgave is ongeveer 200 microseconden (ms) voor inschakelen en ongeveer 50 ms voor uitschakelen.

Het andere belangrijke verschil tussen AP7361EA-apparaten is het fysieke pakket. Hij is verkrijgbaar in de verpakkingen U-DFN3030-8 (Type E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) en SO-8EP.

Een vergelijking van enkele voorbeelden van de AP7361EA-producten, waaronder zowel vaste(AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) als verstelbare(AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13) versies, wordt getoond in tabel 1.

Tabel 1: Een voorbeeld van de AP7361EA configuraties met vaste en instelbare spanning. (Bron tabel: Art Pini, met gegevens van Diodes Inc.)

De apparaten van de AP7361EA-serie zijn allemaal beveiligd tegen kortsluiting en overstroom. De kortsluit- en overstroombeveiliging is voorzien van een terugslagstroomlimiet van 400 milliampère (mA) als de uitgangsstroom de stroomlimiet overschrijdt, doorgaans 1,5 A. Thermische uitschakeling treedt op wanneer de junctietemperatuur van het apparaat stijgt tot nominaal 150 °C, en de werking wordt hersteld wanneer deze daalt tot onder ongeveer 130 °C.

Belasting- en lijnregeling

Belastingregeling beschrijft het vermogen van de LDO om zijn uitgangsspanning te handhaven ondanks veranderingen in de uitgangsbelastingstroom. Dit is belangrijk bij draagbare apparaten op batterijen, waar de regelaars vaak subsystemen uitschakelen wanneer ze niet worden gebruikt. De AP7361EA LDO-serie heeft een maximaal gespecificeerde belastingsregeling van 1,5% voor uitgangsniveaus van 1 tot 1,2 volt en 1% voor uitgangsniveaus van 1,2 tot 3,3 volt (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Een voorbeeld van een belastingsregulatiegrafiek voor een 3,3 volt uitgang. De maximale uitgangsvariatie bedraagt ongeveer 0,15% of ongeveer 5,0 mV bij een belastingsverandering van 100 tot 500 mA voor de nominale uitgang van 3,3 volt. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

De belastingsregeling wordt berekend als de verhouding tussen de maximale variatie van de uitgangsspanning en de nominale uitgangsspanning. In het bovenstaande voorbeeld bedraagt de maximale uitgangsvariatie ongeveer 5,0 mV bij een belastingsverandering van 100 mA tot 500 mA. De belastingsregeling is dus 0,005/3,3 of 0,15%.

Lijnvariatie specificeert de variatie in de uitgang voor een verandering in de bronspanning per voltuitgang. De AP7361EA-serie heeft een maximale lijnregelingsspecificatie van 0,1% per volt (%/V) bij kamertemperatuur en 0,2%/V over het volledige temperatuurbereik. Voor een uitgang van 3,3 volt moet een verandering van het ingangsniveau van 1 volt een verandering van het uitgangsniveau van minder dan 0,33% van de nominale uitgang van 3,3 volt tot gevolg hebben (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Weergegeven is een grafiek van de lijnregeling voor een AP7361EA die werkt met een 3,3 volt uitgang. Een verandering in de ingangsspanning van 4,3 tot 5,3 volt resulteert in een verandering van 0,05% in de uitgangsspanning. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

Afbeelding 5 toont de lijnregelingskarakteristiek van de LDO. Een verandering in de bronspanning, van 4,3 tot 5,3 volt, resulteert in een verandering van 0,05% in het uitgangsniveau, of ongeveer 1,65 mV.

Merk op dat zowel bij lijn- als belastingsvariaties de uitgang zich snel herstelt van de transiënte gebeurtenissen. Dit is van belang bij het opnieuw opstarten van processen in draagbare apparatuur, waar de voedingsbus weer moet werken voordat de gedempte circuits opnieuw kunnen worden opgestart.

Power supply rejection ratio (PSRR)

Aangezien LDO's lineaire schakelingen zijn, produceren zij veel minder ruis dan geschakelde voedingen (SMPS) of vermogensconverters. In veel toepassingen wordt lokaal op de printplaat een LDO gebruikt, maar de voedingsbron is een SMPS. Door het regelsysteem in een LDO heeft deze de neiging ruis en rimpel van de ingangsstroombron te onderdrukken. De maatstaf voor deze ruisonderdrukking is de "power supply rejection ratio" (PSRR) (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: PSRR wordt berekend op basis van de wisselstroomsignalen die aan de ingang en uitgang van de LDO worden gemeten. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

PSRR wordt berekend op basis van de verhouding tussen de AC-componenten van de ingang en die van de uitgang, zoals weergegeven in Afbeelding 6. PSRR in de AP7361EA-serie is frequentieafhankelijk en neemt af met toenemende frequentie. De PSRR is 75 decibel (dB) bij 1 kilohertz (kHz) en daalt tot 55 dB bij een frequentie van 10 kHz. 75 dB vertegenwoordigt een demping van meer dan 5600:1. Een rimpeling van 10 mV of een ruissignaal bij 1 kHz wordt verzwakt tot ongeveer 1,7 microvolt (µV).

Toepassingsvoorbeeld

Een typische toepassing van een LDO met regelbare uitgang is weergegeven in Afbeelding 7. Hij bevat een uitgangsvrijgave zoals bij de AP7361EA-SPR-13, alsmede een externe uitgangsspanningsdeler.

Afbeelding 7: Een voorbeeld van een LDO met regelbare uitgang, waarvoor een externe spanningsdeler nodig is. De vergelijking (rechtsonder) toont het verband tussen de weerstanden R1 en R2 voor de gewenste uitgangsspanning en de interne referentiespanning. (Bron afbeelding: Diodes Incorporated)

De waarden van de weerstandsdeler kunnen worden berekend met behulp van de vergelijkingen rechtsonder in Afbeelding 7. De waarde van R2 moet minder dan 80 kilohm (kΩ) bedragen om de stabiliteit van de interne spanningsreferentie te waarborgen. Voor een uitgang van 2,4 volt met een referentiespanning van 0,8 volt en R2 gelijk aan 61,9 kΩ, is de waarde van R1 123,8 kΩ. Een weerstand van 124 kΩ, 1% zou geschikt zijn.

Conclusie

LDO's zijn lineaire spanningsregelaars die werken met lage spanningsverschillen over de ingang en de uitgang, en met lage ruststromen. Zij bieden een hoog rendement bij een laag geluidsniveau en kleine afmetingen. Ze zijn vooral geschikt voor draagbare apparaten die op batterijen werken, waar ze de levensduur van de batterij verlengen en de betrouwbaarheid verbeteren.