Entendiendo Circuitos LDO: Principios, Consejos Diseño y Aplicaciones

¿Diseñando estrategia regulación potencia para tu PCB? ¿Creando fuente alimentación personalizada para tu placa? Si sí, es vital reflexionar sobre mejor forma controlar potencia enviada a componentes. Aplica especialmente con sistemas digitales alta velocidad. ¿Importa fuente potencia? Ya sea tensión línea o batería, es pertinente controlar potencia entrada al mejor nivel para tu sistema. Por ejemplo, si usas batería, circuito LDO es ideal. El regulador lineal proporciona voltaje adecuado. Ofrece voltaje estable menor desde voltaje entrada.

Hablaremos más del LDO destacando elementos, principios funcionamiento, aplicaciones y más.

¡Comencemos!

¿Qué es LDO?

LDO = Low Dropout (Baja Caída). También regulador lineal tipo saturación o bajas pérdidas. Funciona a baja DP (diferencia potencial) entre voltajes entrada y salida.

Regulador LDO solo acepta voltajes entrada ligeramente mayores que voltaje salida preferido. Es convertidor CC-CC reductor con voltaje entrada variable. Voltaje dropout = mínima diferencia entre entrada y salida preferida o entrada potencia.

Pese a baja eficiencia potencia, opera estable con dropout ~1V. Regulador lineal también ofrece diferentes niveles voltaje con salida estable y constante.

Voltaje salida LDO independiente de descarga batería, temperatura, pérdida potencia, impedancia carga. Ej: batería Li-ion rango 2.7V-4.2V. 2.7V = descargada, 4.2V = cargada. Si batería cae bajo 3V, LDO mantiene salida 2.5V.

Elementos del Regulador LDO

Amplificador Error

Amplificador Error en Diagrama Circuito

Fuente: Wikimedia Commons

Diseñando amplificador error LDO, vital consumir menor corriente posible. Capacitancia compuerta transistor paso es grande. Resistencia salida amplificador debe ser muy baja.

Amplificador error tiene dos entradas. Primera: divisor voltaje escala salida menor. Segunda: voltaje referencia. Tras comparar ambas, amplificador error modifica resistencia elemento paso.

Elemento Paso (Pass Element)

Elemento Paso en Diagrama Circuito

Fuente: Wikimedia Commons

Amplificador error impulsa elemento paso dentro bucle realimentación. Elemento paso mueve voltaje a carga desde entrada. Puedes usar NMOS y PMOS como elementos paso.

En circuito, V_o(s) conecta a V_1(s). Transistor PMOS necesita voltaje mínimo para regular correctamente y permanecer saturado.

Menos voltaje drenaje-fuente V_2(s) da voltaje mínimo. PMOS no ideal para dispositivos voltaje extremadamente bajo.

Con transistor NMOS: bajo dropout, salida, entrada. Beneficio LDO basado NMOS: salida regulador reside en fuente transistor. NMOS entra configuración follower fuente.

Referencia Voltaje

Punto partida cualquier regulador: establece punto operación amplificador error. Puedes usar referencia voltaje tipo band-gap: permite trabajo voltajes alimentación bajos.

Capacitor Salida

Capacitor Salida Potente

Fuente: Wikimedia Commons

En transitorios carga, capacitor salida permite LDO mover corriente dentro carga y amplificador error se estabiliza.

ESR capacitor juega papel importante limitando flujo voltaje a carga desde capacitor. Si trabajas con capacitor 1µF con ESR 10-300mΩ, usa:

• Capacitores Tantalio Bajo ESR
• Capacitores Cerámicos
• Capacitores Electrolíticos Polímero

Realimentación (Feedback)

Escala voltaje salida. Permite comparación entre referencia y voltaje salida usando amplificador error.

Características del LDO

1. Regulador bajo ruido emite voltaje estable sin afectarse por cambios voltaje entrada. Perfecto para dispositivos propensos a ruido.
2. Requiere componentes externos (resistencias o capacitores).
3. Función límite corriente protege sistemas exceso calor.
4. Circuito descarga salida ayuda descarga rápida y baja voltaje terminal salida cerca GND CI.
5. Función apagado térmico evita destrucción y deterioro.

¿Cómo Funciona el LDO?

Diagrama Circuito Regulador Voltaje LDO

Componentes principales: fuente referencia voltaje, elemento paso, amplificador error. Elemento paso: FET canal P o N. Inicia aplicando voltaje entrada a elemento paso (transistor canal N).

Transistor trabaja región lineal para disminuir voltaje entrada. Proceso continúa hasta voltaje entrada alcance salida preferida. Amplificador error reconoce voltaje resultante. Compara parámetros (salida y referencia).

Amplificador error altera compuerta FET a punto operación correcto. Asegura salida voltaje preciso. Ajusta FET para salida constante cuando voltaje entrada cambia.

En estado estable, LDO actúa como resistencia simple. Puedes encender/apagar regulador con pin Enable. Ayuda evitar uso batería cuando LDO no en uso.

¿Cuándo Usar un LDO?

1. Rango entrada voltaje amplio: LDO ideal. Considera obtener salida estable desde alimentación. No necesitas ajustar señal PWM en bucle realimentación. Componentes no necesitan realimentación a elemento conmutación.
2. Necesitas salida potencia constante independientemente caída voltaje entrada.
3. Útil para reducir salida a voltaje preferido.

Otros Circuitos LDO Avanzados

LDO avanzado da voltaje referencia seleccionable usuario. Función programable.

LDO deriva altas frecuencias a tierra por capacitor shunt diagonal a salida. Diseñadores prestan más atención filtrado salida regulador multi-etapa. No enfocan filtrado entrada.

Puedes mejorar LDO con filtros EMI. Dispositivo será conforme EMC/CISPR. Crucial para producir armónicos orden superior con reguladores conmutados.

También añades aspectos necesarios mejorar distribución potencia sistema (analógico y digital).

Parámetros Importantes Seleccionar LDO

Regulación Carga (Load Regulation)

Capacidad circuito mantener voltaje salida particular bajo diferentes condiciones carga.

Load Regulation = ∆Vout/∆Iout

Corriente Reposo (Quiescent Current)

Reposo = latencia. Corriente reposo = sistema consume corriente en standby. Solo ocurre cuando batería conectada a dispositivo.

Respuesta Transitoria (Transient Response)

Diferencia máxima permisible voltaje salida para cambio escalón corriente carga. También respuesta escalón línea. Función de:

Corriente carga máxima (I_{out max})

ESR capacitor salida

Valor capacitor salida (C_out)

Capacitor bypass (C_b)

Ecuación respuesta transitoria:

∆Vtr, max = (Iout, max / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR

Regulación Línea (Line Regulation)

Capacidad circuito retener voltaje salida particular con diferentes voltajes entrada. Expresado:

Line Regulation = ∆Vout/∆Vin

PSRR (Ratio Rechazo Fuente Alimentación)

PSSR LOD = capacidad dispositivo descartar elementos CA. Ejemplo: voltaje rizado. Expresado:

PSRR (dB) = 20 log (Vripple (in)/Vripple (out))

Aplicaciones Circuito LDO

• Fuentes alimentación lineales alta eficiencia
• Computadoras
• Post-regulador SMPS y módulos CC/CC
• Comunicaciones alámbricas e inalámbricas
• Aplicaciones automóvil
• Dispositivos batería
• Regulación VPP / PCMCIA VCC
• Aplicaciones industriales
• Alimentación núcleo digital

Palabras Finales

Circuito LDO juega papel significativo en electrónica. La mayoría fuentes alimentación requieren regulador lineal para voltaje preferido. Ideal para proyectos que requieren potencia salida constante independientemente caída voltaje entrada.

Referencia diagrama circuito para entender componentes principales. ¿Opiniones sobre reguladores LDO? ¡Contáctanos para más info!