Circuito LDO:conceptos básicos, principio de funcionamiento y aplicaciones

¿Estás diseñando una estrategia de regulación de potencia para tu PCB? ¿O está trabajando en la creación de una fuente de alimentación personalizada para su placa? En caso afirmativo, es vital reflexionar sobre la mejor manera de controlar la potencia que envía a sus componentes. Y esto se aplica, especialmente si se trata de sistemas digitales de alta velocidad. Entonces, ¿importa la fuente de energía? Ya sea que tome energía de un voltaje de línea o de una batería, es pertinente controlar la energía de entrada al mejor nivel para su sistema. Por ejemplo, si usa energía de una batería, un circuito LDO será ideal. Y es porque el regulador lineal proporciona el voltaje adecuado. Además, ofrece un voltaje constante más bajo que el voltaje de entrada.

Dicho esto, hablaremos más sobre la LDO destacando sus elementos, principios de funcionamiento, aplicaciones y más.

¡Comencemos!

¿Qué es LDO?

LDO es un acrónimo que significa Low Dropout. También puede llamarlo un tipo de regulador lineal de saturación o de baja pérdida. Y funciona con una PD (diferencia de potencial) baja entre el suministro de voltaje de entrada y salida.

El regulador LDO solo puede tomar voltajes de entrada que son un poco más grandes que el voltaje de salida preferido. Y es porque el dispositivo es un convertidor DC-DC reductor con un voltaje de entrada variable. Por lo tanto, el voltaje de caída se refiere a la variación mínima que vincula la entrada y el voltaje de salida preferido o la entrada de la fuente de alimentación.

Además, independientemente de la baja eficiencia energética del dispositivo, puede funcionar de manera estable con un voltaje de caída bajo de ~1V. El regulador de voltaje lineal también puede ofrecer diferentes niveles de voltaje con una salida estable y constante.

Además, el voltaje de salida del LDO es independiente de la descarga, la temperatura, la pérdida de energía y la impedancia de carga de la batería. Por ejemplo, su batería de iones de litio tiene un rango de fuente de alimentación entrante de 2,7 V a 4,2 V. 2,7 V significa una batería completamente descargada, mientras que 4,7 V es una batería completamente cargada. Por lo tanto, si el voltaje de la batería se reduce por debajo de los 3 V, el LDO puede mantener la salida en 2,5 V.

¿Cuáles son los elementos del regulador LDO?

Los elementos o componentes clave de un LDO incluyen:

Amplificador de errores

Amplificador de error en diagrama de circuito

Fuente:Wikimedia Commons

Si planea diseñar el amplificador de error del LDO, es vital dibujar la corriente más baja posible. ¿Por qué? Porque la capacitancia de puerta del transistor de paso es grande. Por lo tanto, la resistencia de salida del amplificador debe ser muy baja.

Además, el amplificador de error tiene dos entradas. El primero es cuando el divisor de voltaje reduce el voltaje de salida. Luego, el voltaje de referencia es el siguiente. Así, cuando termine de comparar ambas entradas, el amplificador de error modificará la resistencia del elemento de paso.

Pasar elemento

Pasar elemento en diagrama de circuito

Fuente:Wikimedia Commons

El amplificador de error impulsa el elemento de paso dentro del circuito de retroalimentación. Y el elemento de paso ayuda a mover el voltaje a la carga desde la entrada. Además, puede usar NMOS y PMOS como elementos de pase.

Cuando observe de cerca el circuito, notará que el V_o(s) conectarse a los V_1(s) . Además, el transistor PMOS necesita un voltaje mínimo para regularse correctamente y permanece empapado.

Y el menor voltaje de fuente de drenaje V_2(s) se encarga de dar la menor tensión. Pero es importante tener en cuenta que el elemento de paso PMOS no es ideal para dispositivos de voltaje extremadamente bajo.

Además, puede obtener un bajo voltaje de caída, salida y entrada con el transistor NMOS. El beneficio del LDO basado en elementos de paso (NMOS) es que la salida del regulador reside en la fuente del transistor. Además, el NMOS ingresa a la configuración del seguidor de fuente.

Referencia de voltaje

Este elemento hace referencia al punto de partida de cualquier regulador ya que establece el punto de funcionamiento del amplificador de error. Además, puede utilizar una referencia de tensión de tipo banda prohibida, ya que permite trabajar con tensiones de alimentación bajas.

Condensador de salida

Potente condensador de salida

Fuente:Wikimedia Commons

En el caso de transitorios de carga, el capacitor de salida permite que el LDO mueva la corriente dentro de la carga y se establece el amplificador de error.

Además, la ESR del capacitor juega un papel muy importante, ya que limita el flujo de voltaje que se mueve hacia la carga desde el capacitor. Por lo tanto, si está trabajando con un capacitor de 1 µF que tiene un rango de ESR (de 10 a 300 m ohmios), puede usar los siguientes tipos de capacitores:

• Condensadores de tantalio de baja ESR
• Condensadores cerámicos
• Condensadores electrolíticos de polímero

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Este elemento le ayuda a reducir la tensión de salida. Además, permite la comparación entre el voltaje de salida y el de referencia usando el amplificador de error.

Características del LDO

1. El regulador de bajo ruido puede emitir un voltaje constante. Y lo hace sin verse afectado por el cambio de voltaje de entrada. Por lo tanto, el LDO es perfecto para suministrar voltaje a dispositivos propensos al ruido.
2. El dispositivo requiere algunos componentes externos (resistencias o condensadores).
3. LDO tiene una función de límite de corriente que protege los sistemas del exceso de calor.
4. LDO tiene un circuito de descarga de salida que ayuda a descargar rápidamente y reduce el voltaje del terminal de salida cerca de IC GND.
5. El dispositivo tiene una función de apagado térmico y ayuda a evitar la destrucción y el deterioro.

¿Cómo funciona el LDO?

Diagrama del circuito del regulador de voltaje LDO

Los componentes principales del LDO son la fuente de voltaje de referencia, el elemento de paso y el amplificador de error. Y el elemento de paso es un FET de canal P o un canal N. Entonces, comienza aplicando el voltaje de entrada al elemento de paso (transistor de canal N).

Luego, el transistor trabaja en una región lineal para disminuir el voltaje de entrada. Este proceso continúa hasta que el voltaje de entrada llega al voltaje de salida preferido. En este punto, el amplificador de error reconoce el voltaje de salida resultante. Posteriormente, el amplificador de error comparará los dos parámetros (voltaje de salida y de referencia).

Además, el amplificador de error alterará la puerta del FET al punto de operación correcto. En consecuencia, ayuda a garantizar que la salida tenga un voltaje preciso. Por lo tanto, el amplificador de error ajustará el FET para que tenga un voltaje de salida constante cuando cambie el voltaje de entrada.

¿Qué sucede cuando las condiciones de operación están en un estado estable? Bueno, el LDO actuará como una simple resistencia. Además, puede encender o apagar el regulador con su pin Habilitar. Esta función ayuda a los usuarios a evitar el uso de la batería cuando el LDO no está en uso.

¿Cuándo se usa un LDO?

1. Si tiene un amplio rango de voltaje de entrada, el LDO es ideal. Sin embargo, es esencial considerar obtener una salida de voltaje estable de la fuente de alimentación. Además, no necesitará ajustar la señal PWM en el circuito de retroalimentación. Y es porque los componentes no necesitan retroalimentación al elemento de conmutación.
2. Puede usar un LDO cuando necesite que su sistema tenga una potencia de salida constante, independientemente de la caída de voltaje de entrada.
3. El LDO también es útil para reducir la salida para que coincida con el voltaje de salida preferido.

Otros circuitos LDO avanzados

Un LDO avanzado tiene como objetivo proporcionar un voltaje de referencia seleccionable por el usuario. Esta función hace que el dispositivo sea programable.

Por lo general, el LDO puede desviar las altas frecuencias a tierra. Y todo gracias al condensador de derivación diagonal a la salida. Pero los diseñadores de circuitos prestan más atención a filtrar la salida de un regulador de etapas múltiples. Lamentablemente, no se centran en el filtrado de entrada.

Por lo tanto, puede aumentar su LDO con filtros EMI. De esa manera, su dispositivo cumplirá con EMC/CISPR. Curiosamente, esta característica es crucial para producir armónicos de orden superior con reguladores de conmutación.

Además, también puede agregar otros aspectos necesarios para mejorar la distribución de energía para su sistema (analógico y digital).

Parámetros importantes para seleccionar un LDO

Aquí hay parámetros importantes a considerar antes de elegir un LDO:

Regulación de Carga

Este parámetro se refiere a la capacidad del circuito para mantener un voltaje de salida particular bajo diferentes condiciones de carga.

Regulación de Carga =∆Vsal/ ∆Isal

Corriente de reposo

Quiescente es un estado de latencia. Por lo tanto, una corriente de reposo es cuando un sistema consume corriente en modo de espera. Además, esto solo sucede cuando una batería se conecta a su dispositivo.

Respuesta transitoria

La respuesta transitoria describe la diferencia de voltaje de salida más alta permitida para un cambio de paso de corriente de carga. También puede llamar a la respuesta de paso de línea. Y este parámetro es una función de lo siguiente:

Corriente de carga máxima (I_{out max} )

ESR del condensador de salida

Valor del capacitor de salida (C_out )

Condensador de derivación (C_b )

La ecuación de la respuesta transitoria es:

∆Vtr, máx =(Isal, máx / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR

Reglamento de Línea

La regulación de línea es la capacidad de un circuito para retener un voltaje de salida particular con un voltaje de entrada diferente. Y puedes expresarlo como:

Reglamento de Línea =∆Vsal / ∆Vin

PSRR (tasa de rechazo de la fuente de alimentación)

El PSSR de un LDO es cuando el dispositivo puede descartar elementos de CA. Un buen ejemplo de elementos de CA es el voltaje de ondulación. Entonces, puedes expresarlo con la siguiente ecuación:

PSRR (dB) =20 log (Vonda (entrada)/Vonda (salida))

Aplicaciones del circuito LDO

Puede utilizar el circuito LDO en las siguientes aplicaciones:

• Fuentes de alimentación lineales de alta eficiencia
• Computadoras
• Post-regulador SMPS y módulos DC/DC
• Comunicación inalámbrica y por cable
• Aplicación para automóviles
• Dispositivos alimentados por batería
• Reglamento VPP/ PCMCIA VCC
• Aplicación industrial
• Suministro de núcleo digital

Palabras finales

El circuito LDO juega un papel importante en la industria electrónica. Después de todo, la mayoría de las fuentes de alimentación requieren un regulador lineal para obtener un voltaje preferido. Por lo tanto, el dispositivo es ideal para proyectos que requieren una potencia de salida constante independientemente de la caída de voltaje de entrada.

Además, puede consultar el diagrama del circuito para comprender los componentes principales. ¿Cuáles son sus pensamientos acerca de los reguladores LDO? No dude en comunicarse con nosotros para obtener más información.