Noções básicas sobre LDOs e como aplicá-los para prolongar a vida útil da bateria em dispositivos portáteis e vestíveis

Os dispositivos eletrônicos modernos estão ficando menores e mais portáteis. Relógios inteligentes, rastreadores de condicionamento físico, sistemas de segurança e dispositivos de Internet das Coisas (IoT) são cada vez mais alimentados por bateria. Como tal, eles exigem reguladores com alta eficiência de energia, que poupam cada miliwatt de potência de cada carga para manter o dispositivo funcionando por mais tempo. Eles também devem operar com um mínimo de elevação de temperatura. Os reguladores lineares tradicionais e os reguladores de potência de modo chaveado não podem alcançar facilmente a eficiência necessária para estes dispositivos portáteis. Além disso, os reguladores de potência do modo chaveado também sofrem com ruído e tensões transitórias.

O regulador de baixa queda de tensão (LDO), a mais recente adição à linha de reguladores lineares e de chaveamento, capitaliza a operação com quedas de tensão muito baixas através do regulador para melhorar a eficiência e diminuir a dissipação térmica. As variações de LDOs são bem adequadas para aplicações de baixa a média potência para as quais eles podem vir em invólucros tão pequenos quanto 3 × 3 x 0,6 milímetros (mm). Estão disponíveis versões com tensões fixas ou ajustáveis de saída, assim como algumas versões com controle liga-desliga através de uma linha de habilitação de saída.

Este artigo examina as noções básicas dos reguladores de baixa queda de tensão e suas principais características em relação aos reguladores de potência tradicionais lineares e de modo chaveado. Em seguida, apresenta os dispositivos LDO do mundo real da Diodes Incorporated e mostra como eles são aplicados.

O que é um regulador LDO?

A função de um regulador de tensão é manter uma tensão de saída constante na presença de mudanças na carga e na tensão da fonte. Os circuitos reguladores de tensão tradicionais usam projetos lineares ou de modo chaveado. Os reguladores LDO pertencem à classe dos reguladores lineares, mas operam com tensões muito baixas entre os terminais de entrada e saída. Como todos os reguladores lineares de tensão, o LDO é baseado em uma malha de controle com realimentação (Figura 1).

Figura 1: Um regulador LDO é baseado em um circuito de realimentação controlado por tensão. O dispositivo de passagem em série, que pode ser um PMOS, NMOS, ou transistor bipolar PNP, atua como um resistor controlado por tensão. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

O regulador LDO detecta a tensão de saída através de um divisor de tensão resistivo que escalona o nível de saída. A tensão de saída escalonada é aplicada a um amplificador de erro, onde ela é comparada a uma tensão de referência. O amplificador de erro aciona o dispositivo de passagem em série para manter a tensão desejada no terminal de saída. A diferença entre a tensão de entrada e a de saída é a queda de tensão, que aparece através do dispositivo de passagem.

O dispositivo de passagem em série em um LDO age como um resistor de tensão variável. O dispositivo de passagem em série pode ser um semicondutor de óxido-metal de canal P (PMOS), um semicondutor de óxido-metal de canal N (NMOS), ou um transistor bipolar PNP. Os dispositivos PMOS e PNP podem ser levados à saturação, minimizando a queda de tensão. No caso de um transistor de efeito de campo (FET) PMOS, a queda de tensão é aproximadamente a resistência de saturação do canal (R_DSON) vezes a corrente de saída. Embora cada um desses dispositivos tenha vantagens e desvantagens, o dispositivo PMOS prova ter o menor custo de implementação. A série AP7361EA da Diodes Incorporated de reguladores LDO de saída positiva usa um dispositivo de passagem PMOS e atinge uma queda de tensão de cerca de 360 milivolts (mV) para uma saída de 3,3 volts com uma corrente de carga de 1 ampere (A), e uma precisão de tensão de ±1% (Figura 2).

Figura 2: São mostrados os gráficos da queda de tensão do LDO de 3,3 volts da série AP7361EA em função da corrente de saída a três temperaturas diferentes. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

O gráfico da queda de tensão em função da corrente de saída mostra uma inclinação constante para cada temperatura, indicativo de sua natureza resistiva. A queda de tensão é um pouco dependente da temperatura, com o nível aumentando com o aumento da temperatura. Observe que a queda de tensão do LDO é muito menor do que a de um regulador de potência linear convencional, que teria uma queda de tensão de cerca de 2 volts.

Observe que o capacitor de saída na Figura 1 é mostrado com sua resistência efetiva em série (ESR) inerente, que afeta a estabilidade do regulador. O capacitor selecionado deve ter um ESR abaixo de 10 ohms (Ω) a fim de garantir estabilidade em toda a temperatura de operação de -40° a +85°C. Os tipos de capacitores sugeridos incluem capacitores de cerâmica multicamadas (MLCC), capacitores de estado sólido E-CAPs e capacitores de tântalo com valores superiores a 2,2 microfarads (mF).

A corrente quiescente, I_Q, representa a corrente retirada da fonte de alimentação pelo LDO sem carga. A corrente quiescente fornece energia aos circuitos internos do LDO, como o amplificador de erro e o divisor de tensão de saída. Em dispositivos alimentados por bateria, a corrente quiescente afeta a taxa de descarga da bateria e é geralmente projetada para ser a mais baixa possível. A série AP7361EA da Diodes Incorporated tem um I_Q típico de 68 mA.

Os LDOs da série AP7361EA

A série AP7361EA inclui três configurações de circuitos alternativos, como mostrado na Figura 3.

Figura 3: A série AP7361EA oferece dispositivos de tensão de saída fixa ou ajustável, com ou sem um controle de habilitação. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

A série AP7361EA inclui versões com tensões de saída fixa ou ajustável. As versões de tensão fixa têm divisores de tensão internos e oferecem níveis de tensão de saída de 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 ou 3,3 volts. Os dispositivos de saída ajustável requerem um divisor de tensão externo fornecido pelo usuário e têm uma faixa de tensão de saída de 0,8 a 5 volts. A especificação da precisão da tensão de saída para todas as versões é de ± 1%, com uma faixa de tensão de entrada de 2,2 a 6 volts.

As versões fixas ou ajustáveis podem incluir uma linha de controle de habilitação (EN). O AP7361EA é ligado colocando o pino EN em nível alto e é desligado em nível baixo. Se este recurso não for usado, o pino EN deve ser conectado ao pino de entrada (IN) para manter a saída do regulador ligada o tempo todo. O tempo de resposta para a linha de habilitação é de aproximadamente 200 microssegundos (ms) para ligar e cerca de 50 ms para desligar.

A outra diferença significativa entre os dispositivos AP7361EA é o invólucro físico. Está disponível nos invólucros U-DFN3030-8 (Tipo E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) e SO-8EP.

Uma comparação de alguns exemplos dos produtos AP7361EA, incluindo tanto as versões fixas (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) como ajustáveis (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13), é mostrada na Tabela 1.

Tabela 1: Uma amostra das configurações de tensão fixa e ajustável do AP7361EA. (Fonte da tabela: Art Pini, utilizando dados da Diodes Inc.)

Os dispositivos da série AP7361EA são todos protegidos contra curto-circuitos e sobrecorrente. A proteção contra curto-circuito e sobrecorrente apresenta um limite de corrente de retorno de 400 miliamperes (mA) se a corrente de saída exceder o limite de corrente, normalmente 1,5 A. O desligamento térmico ocorre quando a temperatura de junção do dispositivo aumenta nominalmente para 150°C, e o funcionamento é restabelecido quando ela cai abaixo de cerca de 130°C.

Regulação de carga e linha

A regulação de carga descreve a capacidade do LDO de manter sua tensão de saída, apesar das mudanças na corrente da carga de saída. Isto é importante em dispositivos portáteis alimentados por bateria, onde os controladores frequentemente desligam os subsistemas quando não estão em uso. A série AP7361EA de LDO tem uma regulagem máxima de carga especificada de 1,5% para níveis de saída de 1 a 1,2 volts e 1% para saídas de 1,2 a 3,3 volts (Figura 4).

Figura 4: Um exemplo do gráfico de regulação da carga para uma saída de 3,3 volts. A variação máxima de saída é de aproximadamente 0,15% ou cerca de 5,0 mV para uma variação de carga de 100 a 500 mA à saída nominal de 3,3 volts. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

A regulação de carga é calculada como a relação entre a variação máxima da tensão de saída e a tensão nominal de saída. No exemplo acima, a variação máxima de saída é de cerca de 5,0 mV para uma variação de carga de 100 mA a 500 mA. Portanto, a regulação de carga é de 0,005/3,3 ou 0,15%.

A variação da linha especifica a variação na saída para uma mudança na tensão da fonte por volt de saída. A série AP7361EA tem uma especificação máxima de regulação de linha de 0,1% por volt (%/V) à temperatura ambiente e 0,2%/V em toda a faixa de temperatura. Para uma saída de 3,3 volts, uma mudança de nível de entrada de 1 volt deve ter uma mudança de nível de saída inferior a 0,33% da saída nominal de 3,3 volts (Figura 5).

Figura 5: É mostrado um gráfico de regulação de linha para uma AP7361EA operando com uma saída de 3,3 volts. Uma mudança na tensão de entrada de 4,3 para 5,3 volts resulta em uma mudança de 0,05% na tensão de saída. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

A Figura 5 mostra a característica da regulação de linha do LDO. Uma mudança na tensão da fonte, de 4,3 para 5,3 volts, resulta em uma mudança de 0,05% no nível de saída, ou cerca de 1,65 mV.

Observe que, tanto nas condições de variação de linha como de carga, a saída mostra uma rápida recuperação dos eventos transitórios. Isto é importante ao reiniciar processos em equipamentos portáteis onde o barramento de energia deve estar em funcionamento antes que os circuitos silenciados possam ser reiniciados.

Taxa de rejeição da fonte de alimentação

Os LDOs, sendo circuitos lineares, produzem muito menos ruído do que as fontes de alimentação chaveadas (SMPS) ou conversores de energia. Em muitas aplicações, um LDO é usado localmente na placa de circuito, mas a fonte de alimentação é um SMPS. Devido ao sistema de controle dentro de um LDO, isso tende a suprimir o ruído e a ondulação da fonte de alimentação de entrada. A medida desta supressão de ruído é a taxa de rejeição da fonte de alimentação (PSRR) (Figura 6).

Figura 6: O PSRR é calculado com base nos sinais de corrente alternada medidos na entrada e saída do LDO. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

O PSRR é calculado com base na relação entre os componentes CA da entrada e aqueles da saída, como mostrado na Figura 6. O PSRR da série AP7361EA é dependente da frequência, diminuindo com o aumento da frequência. O PSRR é de 75 decibéis (dB) a 1 quilohertz (kHz) e cai para 55 dB a uma frequência de 10 kHz. 75 dB representa uma atenuação de mais de 5600:1. Um sinal de ondulação ou ruído de 10 mV a 1 kHz seria atenuado a cerca de 1,7 microvolts (µV).

Exemplo de aplicação

Uma aplicação típica de um LDO de saída ajustável é mostrada na Figura 7. Inclui uma habilitação de saída semelhante ao AP7361EA-SPR-13, bem como um divisor de tensão externo na saída.

Figura 7: Um exemplo de utilização de um LDO de saída ajustável que requer um divisor de tensão externo na saída. A equação (canto inferior direito) mostra a relação entre os resistores R1 e R2 para a tensão de saída desejada e a tensão de referência interna. (Fonte da imagem: Diodes Incorporated)

Os valores dos resistores do divisor podem ser calculados usando as equações mostradas no canto inferior direito da Figura 7. O valor de R2 deve ser mantido a menos de 80 quilo-ohms (kΩ) para garantir a estabilidade da referência de tensão interna. Para uma saída de 2,4 volts com uma tensão de referência de 0,8 volts e R2 igual a 61,9 kΩ, o valor de R1 é de 123,8 kΩ. Um resistor de 124 kΩ e 1% seria adequado.

Conclusão

Os LDOs são reguladores de tensão linear que operam com diferenças de baixa tensão através da entrada e saída, e com correntes quiescentes baixas. Eles oferecem alta eficiência energética com baixo ruído e tamanho pequeno. Eles são especialmente adequados para dispositivos portáteis operados a baterias, onde prolongam a vida útil da bateria e melhoram a confiabilidade.