Tijd om eindelijk die LDO-regelaar te vervangen door een schakelregelaar?

Ik geef het toe: ondanks alle aandacht die schakelregelaars krijgen, heb ik nog steeds een speciaal plekje in mijn hart (en misschien ook in mijn hoofd) voor LDO-regelaars (Low Dropout Regulators). Een van mijn redenen daarvoor is dat LDO-regelaars één ding doen, dat ze goed en gemakkelijk doen, en dat ze me geen hoofdpijn of verrassingen bezorgen. Bovendien waren de eerste vermogensregelaars die ik gebruikte, LDO-regelaars, en die waren vriendelijk voor me toen ik echte circuits probeerde te bouwen. Zelfs tegenwoordig, nu ik een rail van een paar volt en ongeveer een ampère aan stroom nodig heb, denk ik eerder aan die basale LDO-regelaar met drie terminaals dan aan een schakelregelaar.

Het is geen nieuws dat LDO-regelaars meestal minder efficiënt zijn dan schakelregelaars, maar bij lagere stroomniveaus (ongeveer een ampère) is dat verschil klein en waarschijnlijk niet essentieel in een bepaald ontwerp. Bij meer ampères wordt het verschil meestal zo groot dat een LDO-regelaar geen goede keus meer is tenzij je een rail met superlage ruis nodig hebt, maar zelfs dan zijn sommige schakelregelaars behoorlijk goed en hebben heel weinig ruis. Verder is het wel mogelijk om sommige typen LDO-regelaars parallel te gebruiken met bleederweerstanden met lage ohm ertussen voor het equalizen van de stroomafname, maar dat kan ingewikkeld worden in termen van lay-out, voetafdruk, BOM en kwantificatie.

Toch zijn LDO-regelaars essentiële onderdelen in de BOM-tas van een ingenieur. Ze zijn zo makkelijk te gebruiken dat veel ontwerpers ze als popcorn over hun printplaten rondstrooien wanneer ze een goede regelaar in de buurt van het IC of subcircuit nodig hebben. Dit minimaliseert de IR-daling van de stroomrail en ruisopvang, samen met andere nadelen die optreden zodra een voedingsbron zich verder van zijn lading bevindt.

Maar de tijden veranderen

Toch begin ik me af te vragen of zelfs deze basale inbouwmogelijkheden voor LDO-regelaars misschien op hun eind lopen. Ingekapselde schakelregelaars voor lage stroom hebben nu eigenschappen die vergelijkbaar zijn met die van LDO-regelaars wat betreft eenvoud, grootte, noodzaak van externe passieven (of niet) en algemeen gemak van inbouw. Als je deze ingekapselde schakelregelaars versus LDO-regelaars in een circuit van buiten bekijkt, kun je moeilijk verschil zien tussen een LDO-regelaar van 1 A en een ingekapselde schakelregelaar van meer dan 1 A.

En waar een LDO-regelaar alleen naar beneden kan bijstellen (buck), zijn er buck-, boost- en zelfs buck/boost-schakelregelaars met een naadloze overgang tussen deze twee modi. Dat is een belangrijke eigenschap, aangezien veel circuits werken op één Li-ionbatterij en de buck/boost-modus nodig hebben om de batterij te regelen van volledig opgeladen naar enigszins ontladen.

Laat me de (geld)voorbeelden zien

Kijk eens naar de LTM8074 (LTM8074EY#PBF), een stille µModule-schakelregelaar van Analog Devices (afbeelding 1). Die heeft een breed ingangsspanningsbereik (3,2 tot 40 V), een breed uitgangsspanningsbereik (0,8 tot 12 V), levert 1,2 A continu (bij 24 V ingang en 5 V uitgang), en bereikt een piekuitgangsstroom van 1,75 A bij een uitgang van 3,3 V. Maar wat me echt opviel, was de grootte. Het is een BGA-apparaat van maar 4 millimeter (mm) × 4 mm × 1,82 mm hoog.

Afbeelding 1: De LTM8074 is een gebruiksvriendelijke schakelregelaar met een kleine voetafdruk, zowel de module als het hele circuit. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Om te functioneren heeft hij alleen maar twee condensators (1 microfarad (µF) en 10 µF) en twee weerstanden nodig, waardoor je hem net zo makkelijk kunt plaatsen en gebruiken als een vergelijkbare LDO-regelaar, maar met meer vermogen en een kleinere voetafdruk. De inductor, die we meestal met een schakelregelaar associëren, is in de behuizing ingebed, dus vanuit het perspectief van de ontwerper maakt deze geen deel uit van de BOM en neemt geen extra ruimte in. Daarbij is de EMI-uitstoot heel laag, bijna zo laag als die van de LDO-regelaar (afbeelding 2).

Afbeelding 2: CISPR22 klasse B-uitstoot voor de LTM8074 op zijn DC2753A-demobord, met VOUT = 3,3 V, 1,2 A voeding en geen EMI-filter. (Bron afbeelding: Analog Devices)

Een andere bron van deze kleine, LDO-achtige schakelregelaars is Texas Instruments met zijn LMZ10501 (LMZ10501SILR), een NanoModule van 1 A met een ingangsspanningsbereik van 2,7 tot 5,5 V, en een uitgangsspanningsbereik van 0,6 tot 3,6 V (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De LMZ10501 van Texas Instruments heeft een behuizing van 3,00 mm × 2,60 mm, inclusief de inductor. Aan de buitenkant heeft hij alleen maar drie keramische condensators en twee weerstanden nodig om te functioneren. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De LMZ20501 heeft alleen maar drie keramische condensators en twee weerstanden nodig en bovendien is de inductor geïntegreerd in de 8-pins microSiP-behuizing, die maar 3,00 mm × 2,60 mm groot is (afbeelding 4). Eén ding staat vast: het ziet er niet uit als een standaard IC.

Afbeelding 4: De inductor van de LMZ10501 van Texas Instruments is een integraal onderdeel van het fysieke ontwerp van de NanoModule, wat ruimte en BOM bespaart. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Deze kleine schakelregelaars zijn zelfs een stevige concurrent voor de LDO-schakelaars in de lagere stroombereiken, waar de laatste lang het voordeel van grootte en gebruiksgemak had. Zo is bijvoorbeeld de Maxim Integrated MAXM15462 een hoogefficiënte, synchrone step-down DC-DC-module met geïntegreerde controller, MOSFET's, compensatiecomponenten en een inductor die functioneert over een breed ingangsspanningsbereik (afbeelding 5). De module kan 4,5 tot 42 V aan en levert tot 300 milliampère (mA) uitgangsstroom over een programmeerbare uitgangsspanning van 0,9 tot 5 V. Er zijn drie condensators nodig (twee keer 1 µF en één keer 10 µF) en twee weerstanden naast de kleine 2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm uSLIC™-behuizing.

Afbeelding 5: De MAXM15462 300 mA-uitgangsschakelregelaar van Maxim Integrated concurreert qua afmetingen zelfs met laagstroom-LDO-regelaars. (Bron afbeelding: Maxim Integrated)

De voordelen van deze kleine schakelregelaars gaan veel verder dan dat ze kleiner en efficiënter zijn dan de vergelijkbare LDO-regelaars. Afhankelijk van het gekozen apparaat bevatten ze handige (en soms noodzakelijke) eigenschappen zoals een zachte start om inschakelingangsstroom te verminderen, een 'power good'-uitgangspin en een programmeerbare UVLO-drempel (UnderVoltage LockOut).

Misschien toch tijd om verder te gaan?

Soms moet je je vroegere voorkeuren loslaten om te profiteren van technische vooruitgang. Ik heb ingenieurs twintig jaar oude operationele versterkers zien opgeven in nieuwe productontwerpen, voornamelijk omdat ze bekend en vertrouwd zijn met hun eigenaardigheden. Dat kan in sommige opzichten een verstandige keus zijn, maar het kan ook verhinderen dat het eindontwerp meer kan, goedkoper is, of kleiner is.

Er kunnen best jaarlijks nog steeds miljoenen of miljarden voedingsregelaars zoals LDO-regelaars worden gebruikt voor nieuwe ontwerpen. Maar schakelregelaars met lager vermogen bieden zoveel meer in termen van verbeterde prestaties, goed gedrag, gebruiksgemak en efficiëntie, en dat doen ze ook nog in een klein pakketje. Het zou bijna professionele nalatigheid zijn om er niet minstens over na te denken, ook al ben je in een eerste opwelling geneigd om die vertrouwde LDO-regelaar op je BOM te zetten.

Terwijl jij daarmee bezig bent, ga ik eens naar de carburateur van mijn auto kijken: ik denk dat het naaldventiel moet worden schoongemaakt, en dat de vlotter niet goed is afgesteld.