Grunnleggende om LDO-er og hvordan de kan brukes til å forlenge batteriets levetid i bærbare og kroppsbårne enheter

Moderne elektroniske enheter blir stadig mindre og mer bærbare. Smartklokker, treningsarmbånd, sikkerhetssystemer og tingenes Internett (IoT)-enheter blir stadig mer batteridrevne. Derfor krever de høyeffektive strømregulatorer som klemmer hver eneste milliwatt med strøm ut av hver ladning for å holde enheten gående lenger. De må også fungere med minimal temperaturøkning. Tradisjonelle lineære regulatorer og vekslede strømregulatorer (switched-mode power regulator) kan ikke enkelt oppnå virkningsgraden som kreves for disse bærbare enhetene. I tillegg lider vekslede strømregulatorer også av støy og transientspenninger.

Spenningsregulatoren med lav fallspenning (LDO – low-dropout), som er det nyeste tillegget i serien med lineære og vekslede regulatorer, drar nytte av drift med svært lave spenningsfall over regulatoren for å forbedre virkningsgraden og redusere den termiske spredningen. Ulike variasjoner av LDO-er er godt egnet for konstruksjoner med lav-til-middels effekt, og de kommer i kapslinger som er så små som 3 × 3 x 0,6 millimeter (mm). Versjoner med faste eller justerbare utgangsspenninger er tilgjengelige, i tillegg til noen versjoner med av/på-styring via en utgangsaktiveringslinje (output enable line).

Denne artikkelen undersøker det grunnleggende i regulatorer med lavt spenningsfall, og de viktigste egenskapene deres sammenlignet med tradisjonelle lineære og vekslede strømregulatorer. Den introduserer deretter LDO-enheter fra den virkelige verden fra Diodes Incorporated, og viser hvordan disse kan implementeres.

Hva er en LDO-regulator?

En spenningsregulators funksjon er å opprettholde en konstant utgangsspenning ved endringer i last og kildespenning. Tradisjonelle spenningsregulatorkretser bruker enten lineære eller vekslede konstruksjoner. LDO-regulatorer tilhører klassen av lineære regulatorer, men de fungerer med svært lav spenning mellom inngangs- og utgangsterminalene. I likhet med alle andre lineære spenningsregulatorer, er LDO-regulatoren basert på en tilbakekoblingskontrollsløyfe (figur 1).

Figur 1: En LDO-regulator er basert på en spenningsstyrt tilbakekoblingskrets. Den serielle reguleringsenheten (series pass device), som kan være en PMOS, NMOS eller PNP topolet transistor, fungerer som en spenningsstyrt motstand. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

LDO-regulatoren registrerer utgangsspenningen gjennom en resistiv spenningsdeler som skalerer utgangsnivået. Den skalerte utgangsspenningen påføres en feilforsterker (error amplifier), der den sammenlignes med en referansespenning. Feilforsterkeren driver den serielle reguleringsenheten for å opprettholde ønsket spenning på utgangsterminalen. Forskjellen mellom inngangs- og utgangsspenningen er fallspenningen, som vises på tvers av reguleringsenheten.

Den serielle reguleringsenheten i en LDO fungerer som en spenningsvariabel motstand. Den serielle reguleringsenheten kan være en P-kanals metalloksidhalvleder (PMOS – P-channel metal oxide semiconductor), en N-kanals metalloksidhalvleder (NMOS) eller en PNP topolet transistor. PMOS- og PNP-enheter kan drives til metning, noe som minimerer fallspenningen. Når det gjelder PMOS-felteffekttransistorer (FET), er fallspenningen tilnærmet kanalens ON-motstand (R_DSON) ganger utgangsstrømmen. Selv om hver av disse enhetene har fordeler og ulemper, viser PMOS-enheten seg å ha den laveste implementeringskostnaden. Diodes Incorporated AP7361EA-serien med LDO-regulatorer bruker en PMOS-reguleringsenhet, og oppnår en fallspenning på omtrent 360 millivolt (mV) for en utgangsspenning på 3,3 volt ved en laststrøm på 1 ampere (A), og med en spenningsnøyaktighet på ±1 % (figur 2).

Figur 2: Her vises et diagram over utgangsspenningen til AP7361EA-serien av LDO-er på 3,3 volt, som en funksjon av utgangsstrømmen ved tre forskjellige temperaturer. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Diagrammet over utgangsspenningen som en funksjon av utgangsstrømmen viser en konstant helning for hver temperatur, noe som indikerer dens resistive karakter. Fallspenningen er ganske temperaturavhengig, og nivået øker med økende temperatur. Vær oppmerksom på at LDO-ens fallspenningen er mye lavere enn for en konvensjonell lineær strømregulator, som vil ha en fallspenning på omtrent 2 volt.

Legg merke til at utgangskondensatoren i figur 1 vises med sin iboende effektive seriemotstand (ESR), som påvirker stabiliteten til regulatoren. Den valgte kondensatoren bør ha en ESR på under 10 ohm (Ω) for å garantere stabilitet over hele driftstemperaturområdet på –40 til +85 °C. Foreslåtte kondensatortyper inkluderer flerlags keramiske kondensatorer (MLCC – multilayer ceramic capacitor), faststoff-E-CAP-er og tantalkondensatorer med verdier over 2,2 mikrofarad (mF).

Hvilestrømmen, I_Q, representerer strømmen som LDO-en trekker fra strømkilden uten last. Hvilestrømmen forsyner strøm til LDO-ens interne kretser, for eksempel feilforsterkeren og utgangsspenningsdeleren. I batteridrevne enheter påvirker hvilestrømmen utladningshastigheten til batteriet, og er generelt sett utviklet for å være så lav som mulig. Diodes Incorporated AP7361EA-serien har en typisk I_Q på 68 mA.

AP7361EA-serien med LDO-er

AP7361EA-serien inkluderer tre alternative kretskonfigurasjoner, som vist på figur 3.

Figur 3: Enheter i AP7361EA-serien tilbyr faste eller justerbare utgangsspenninger, med eller uten noen aktiveringskontroll (enable control). (Bildekilde: Diodes Incorporated)

AP7361EA-serien inkluderer versjoner med faste eller justerbare utgangsspenninger. Versjonene med faste spenninger har interne spenningsdelere og tilbyr utgangsspenningsnivåer på 1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 2,8 eller 3,3 volt. Enhetene med justerbare utgangsspenninger krever en brukertilført ekstern spenningsdeler, og har et utgangsspenningsområde på mellom 0,8 og 5 volt. Spesifikasjonen for utgangsspenningens nøyaktighet for alle versjoner er ±1 %, i tillegg til et inngangsspenningsområde på 2,2 til 6 volt.

De faste eller justerbare versjonene kan inkludere en aktiveringskontrollinje (EN). AP7361EA slås på ved å angi EN-pinnen som høy, og slås av ved å angi den som lav. Hvis denne funksjonen ikke brukes, bør EN-pinnen være bundet til inngangspinnen (IN) for å kontinuerlig holde regulatorutgangen på. Responstiden for aktiveringslinjen er ca. 200 mikrosekunder (ms) for å slå på og ca. 50 ms for å slå av.

Den andre betydelige forskjellen mellom AP7361EA-enheter er den fysiske kapslingen. Den er tilgjengelig i kapslingene U-DFN3030-8 (Type E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) og SO-8EP.

En sammenligning av noen få AP7361EA-produkteksempler, inkludert både faste (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) og justerbare (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13) versjoner, er vist i tabell 1.

Tabell 1: En sampling av faste og justerbare spenningskonfigurasjoner for AP7361EA. (Tabellkilde: Art Pini, ved hjelp av data fra Diodes Inc.)

Enheter i AP7361EA-serien er alle beskyttet mot kortslutninger og overstrøm. Beskyttelsen mot kortslutning og overstrøm har en tilbakekoblingsstrømgrense på 400 milliampere (mA) hvis utgangsstrømmen overskrider strømgrensen, vanligvis 1,5 A. Termisk utkobling oppstår når enhetens grenseskikttemperatur øker til nominelt 150 °C, og driften gjenopprettes når den faller under omtrent 130 °C.

Last- og linjeregulering

Lastregulering beskriver LDO-ens evne til å opprettholde utgangsspenningen til tross for endringer i utgangslaststrømmen. Dette er viktig i batteridrevne bærbare enheter, der styringsenhetene ofte slår av delsystemer når de ikke er i bruk. AP7361EA LDO-serien har en maksimal spesifisert lastregulering på 1,5 % for utgangsnivåer på 1 til 1,2 volt og 1 % for utganger på 1,2 til 3,3 volt (figur 4).

Figur 4: Et eksempel på en lastreguleringsgraf for en 3,3-volts utgang. Den maksimale variasjonen på utgangen er omtrent 0,15 % eller omtrent 5,0 mV for en lastendring på mellom 100 og 500 mA for en nominell utgang på 3,3 volt. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Lastreguleringen beregnes som forholdet mellom den maksimale spenningsvariasjonen på utgangen og den nominelle utgangsspenningen. I eksemplet ovenfor er den maksimale utgangsvariasjonen omtrent 5,0 mV for en lastendring på 100 mA til 500 mA. Lastreguleringen er derfor 0,005/3,3 eller 0,15 %

Linjevariasjon spesifiserer variasjonen i utgangsspenning for en endring i kildespenningen per volt med utgangsspenning. AP7361EA-serien har en maksimal linjereguleringsspesifikasjon på 0,1 % per volt (%/V) ved romtemperatur og 0,2 %/V over hele temperaturområdet. For en 3,3-volts utgang bør en inngangsnivåendring på 1 volt ha en utgangsnivåendring på mindre enn 0,33 % av den nominelle 3,3-volts utgangen (figur 5).

Figur 5: Her vises en graf over linjeregulering for en AP7361EA som fungerer med en utgang på 3,3 volt. En endring i inngangsspenning fra 4,3 til 5,3 volt, resulterer i en 0,05 % endring i utgangsspenningen. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Figur 5 viser linjereguleringskarakteristikken til LDO-en. En endring i kildespenningen, fra 4,3 til 5,3 volt, resulterer i en 0,05 % endring i utgangsnivået, eller omtrent 1,65 mV.

Vær oppmerksom på at utgangen vil vise, under både linje- og lastvariasjonstilstander, en rask gjenoppretting fra de forbigående hendelsene. Dette er viktig ved omstart av prosesser i bærbart utstyr, der strømbussen må være oppe å kjøre og i funksjon før de lydløse kretsene (silenced circuits) kan startes på nytt.

Strømforsyningens avvisningsforhold

LDO-er, som er lineære kretser, produserer mye mindre støy enn vekslede strømforsyninger (SMPS – switched-mode power supply) eller strømomformere. En LDO brukes lokalt på kretskortet i mange konstruksjoner, men strømkilden er en SMPS. På grunn av styringssystemet i en LDO, har det en tendens til å undertrykke støy og rippel fra inngangsstrømkilden. Målingen av denne støydempingen er strømforsyningens avvisningsforhold (PSRR – power supply rejection ratio) (figur 6).

Figur 6: PSRR beregnes på grunnlag av vekselstrømssignalene målt ved inngangen og utgangen til LDO-en. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

PSRR beregnes på grunnlag av forholdet mellom vekselstrømskomponentene i inngangen og de i utgangen, som vist på figur 6. PSRR i AP7361EA-serien er frekvensavhengig, og reduseres med økende frekvens. PSRR er 75 desibel (dB) ved 1 kilohertz (kHz) og faller til 55 dB ved 10 kHz. 75 dB representerer en demping på over 5600:1. Et 10 mV rippel- eller støysignal ved 1 kHz dempes til ca. 1,7 mikrovolt (µV).

Konstruksjonseksempel

En typisk konstruksjon av en LDO med justerbar utgang vises i figur 7. Den inkluderer en utgangsaktivering som ligner på AP7361EA-SPR-13, samt en ekstern utgangsspenningsdeler.

Figur 7: Et eksempel på en LDO med justerbar utgang som krever en ekstern utgangsspenningsdeler. Ligningen (nederst til høyre) viser forholdet mellom motstandene R1 og R2 for den ønskede utgangsspenningen og den interne referansespenningen. (Bildekilde: Diodes Incorporated)

Motstandsdelerens motstandsverdier kan beregnes ved hjelp av ligningene vist nederst til høyre i figur 7. Verdien av R2 bør holdes på mindre enn 80 kilohm (kΩ) for å sikre stabiliteten til den interne spenningsreferansen. For en utgang på 2,4 volt med en referansespenning på 0,8 volt og R2 lik 61,9 kΩ, vil verdien for R1 være 123,8 kΩ. En motstand på 124 kΩ, 1 % vil være egnet.

Konklusjon

LDO-er er lineære spenningsregulatorer som kjører med lave spenningsforskjeller på tvers av inngangen og utgangen, og med lav hvilestrøm. De tilbyr høy energieffektivitet med lav støy og liten størrelse. De er spesielt godt egnet for batteridrevne, bærbare enheter – der de forlenger batterilevetiden og forbedrer påliteligheten.