Entendendo baixo

Hoje, os dispositivos eletrônicos diminuíram de tamanho como nunca antes. Isso nos permite embalar vários recursos em dispositivos portáteis compactos, como relógios inteligentes, rastreadores de fitness e outros dispositivos vestíveis, também nos ajuda a implantar dispositivos IoT remotos para monitoramento de gado, rastreamento de ativos, etc. Uma coisa comum entre todos esses dispositivos portáteis é que eles funcionam com bateria. E quando um dispositivo funciona com bateria, é importante que os engenheiros de projeto selecionem componentes que conservem cada milivolt em seu projeto para operar o dispositivo por mais tempo com o suco de bateria disponível. Uma vez que tal componente é o regulador de baixa tensão de queda (LDO). Neste artigo, aprenderemos mais sobre LDO e como selecionar o correto para o seu projeto de circuito.

O que é um regulador em eletrônica?

Um regulador é um dispositivo ou mecanismo bem projetado que regula algo, aqui o algo geralmente se refere à tensão da corrente. Existem dois tipos de reguladores usados principalmente em eletrônica: o primeiro é o regulador de comutação e o segundo é o regulador linear. Ambos têm uma arquitetura de trabalho e subsistema diferentes, mas não os discutiremos neste artigo. Mas, para simplificar, se um regulador está controlando a corrente de saída, ele é chamado de regulador de corrente. Pelo mesmo aspecto, reguladores de tensão são usados para controlar a tensão.

Diferença entre LDO e reguladores lineares

Os reguladores lineares são os dispositivos mais comuns usados para a regulação da fonte de alimentação e a maioria de nós estará familiarizada com dispositivos como 7805, LM317. Mas, a desvantagem de usar um regulador linear em aplicações operadas por bateria é que aqui a tensão de entrada de um regulador linear sempre precisa ser maior do que a tensão de saída regulada. Ou seja, as diferenças entre as tensões de entrada e a tensão de saída são altas. Portanto, os reguladores lineares padrão têm algumas limitações quando a tensão de saída regulada deve ser um valor próximo da tensão de entrada.

Trabalho de um LDO

LDO é uma parte da dinastia de reguladores lineares. Mas, ao contrário dos reguladores lineares normais, em um LDO a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída é menor. Essa diferença é chamada de tensão de queda. Como o LDO tem queda de tensão muito baixa, ele é chamado de reguladores de baixa tensão de queda. Você pode pensar em um LDO e um resistor linear colocado em série com a carga para reduzir a tensão ao nível necessário. A vantagem de ter um LDO é que a queda de tensão nele será muito menor do que um resistor.

Como o LDO oferece baixa tensão de queda entre a entrada e a saída, ele pode funcionar mesmo se a tensão de entrada estiver relativamente próxima da tensão de saída. A queda de tensão em um LDO será entre 300mV e 1,5V no máximo. Em alguns LDOs, as diferenças de tensão são ainda menores do que 300mV.

A imagem acima mostra uma construção LDO simples, onde um sistema de malha fechada é projetado. Uma tensão de referência é criada a partir da tensão de entrada e fornecida a um amplificador diferencial. A tensão de saída é detectada por um divisor de tensão e novamente fornecida ao pino de entrada do amplificador diferencial. Dependendo desses dois valores, a saída da tensão de referência e a saída do divisor de tensão, o amplificador produz a saída. Esta saída controla o resistor variável. Portanto, qualquer valor destes dois pode alterar a saída do amplificador. Aqui, a referência de tensão deve ser estável para detectar a outra com precisão. Quando a tensão de referência é estável, uma pequena variação da tensão de saída reflete na entrada do amplificador diferencial por meio do divisor de resistor.O amplificador então controla o resistor variável para fornecer uma saída estável. Por outro lado, a referência de voltagem não depende da voltagem de entrada e fornece referência estável em todo o amplificador diferencial, tornando-o imune às mudanças transitórias e também torna otensão de saída independente da tensão de entrada. O resistor variável mostrado aqui normalmente será substituído por um MOSFET ou JFET eficiente na construção real. Os transistores bipolares não são usados em LDOs devido aos requisitos extras de geração de corrente e calor, o que leva a uma baixa eficiência.

Parâmetros a serem considerados ao selecionar seu LDO

Recursos básicos

Por ser um dispositivo essencial para garantir o fornecimento adequado de energia à carga, a primeira característica fundamental é a regulação da carga e a saída estável. A regulação adequada da carga é essencial durante as mudanças de corrente de carga. Quando a carga aumenta ou diminui o consumo de corrente, a tensão de saída do regulador não deve flutuar. A flutuação da tensão de saída é medida na faixa de mV por ampere de corrente e chamada de exatidão. A precisão da tensão de saída de um LDO varia de 5mV a 50mV, algumas porcentagens da tensão de saída.

Recursos de segurança e proteção

LDO oferece recursos básicos de segurança, garantindo o fornecimento de energia adequado em toda a saída. Os recursos de segurança são acomodados usando circuitos de proteção na entrada e na saída. Os circuitos de proteção são proteção contra subtensão (UVLO), proteção contra sobretensão (OVLO), proteção contra surtos, proteção contra curto-circuito de saída e proteção térmica.

Em algumas situações, a tensão de entrada fornecida ao regulador pode cair significativamente para baixo ou aumentar para um valor alto. Isso resulta em tensão inadequada e saída de corrente do LDO, o que danificará nossa carga. Se a tensão de entrada no LDO estiver além dos limites, as proteções UVLO e OVLO são acionadas para proteger o LDO e a carga. O limite inferior para UVLO e os limites máximos de tensão de entrada podem ser definidos usando divisores de tensão simples.

O circuito de proteção contra surtos oferece imunidades ao LDO de transientes e picos ou picos de alta tensão. É também um recurso adicional oferecido por diferentes LDOs. A proteção contra curto-circuito de saída é uma forma de proteção contra sobrecorrente. Se a carga entrar em curto, o recurso de proteção contra curto-circuito de um LDO desconecta a carga da fonte de alimentação de entrada. A proteção térmica funciona quando o LDO fica aquecido. Durante a operação de aquecimento, o circuito de proteção térmica interrompe o funcionamento do LDO para evitar mais danos a ele.

Características adicionais

Os LDOs podem ter dois pinos de controle de nível lógico adicionais para se comunicar com uma entrada de microcontrolador. Habilite o pino frequentemente referido como EN e este é um pino de entrada do LDO. Um microcontrolador simples pode alterar o estado do pino EN de um LDO para ativar ou desativar a saída de energia. Este é um recurso útil quando as cargas precisam ser ligadas ou desligadas para fins de aplicação.

O pino Power Good é um pino de saída do LDO. Este pino também pode ser conectado a uma unidade de microcontrolador para fornecer uma lógica baixa ou alta dependendo da condição de energia. Com base no estado do pino de alimentação boa, a unidade do microcontrolador pode obter as informações sobre o status da alimentação no LDO.

Limitações do LDO

Embora o LDO ofereça saída adequada em baixa tensão de queda, ele ainda tem algumas limitações. A principal limitação do LDO é a eficiência. É verdade que o LDO é melhor do que os reguladores lineares padrão em termos de dissipação de energia e eficiência, mas ainda é uma escolha ruim para as operações relacionadas à bateria portátil, onde a eficiência é a principal preocupação. A eficiência fica ainda fraca se a tensão de entrada for significativamente maior do que a tensão de saída. A dissipação de calor aumenta quando a queda de tensão é maior. O excesso de energia residual, que é transformado em calor e requer um dissipador de calor, resultou em um aumento na área de PCB e também em um custo de componente. Para melhor eficiência, os reguladores de comutação ainda são a melhor escolha em relação aos reguladores lineares, especialmente os LDOs.

Devo usar LDO para meu próximo projeto?

Como os LDOs oferecem tensão de queda muito baixa, é bom selecionar um LDO apenas quando a tensão de saída desejada estiver muito próxima da tensão de entrada disponível. As perguntas abaixo podem ajudá-lo a determinar se o projeto do circuito realmente precisa de um LDO

A tensão de saída desejada está próxima da tensão de entrada disponível? Se sim, então quanto? É bom usar LDO se a diferença entre a tensão de entrada e a tensão de saída for inferior a 300mV
50-60% de eficiência é aceita para a aplicação desejada?
Fonte de alimentação de baixo ruído é uma necessidade?
Se o custo for um problema e simples, menor contagem de peças, a solução que economiza espaço é necessária.
Será muito caro e volumoso adicionar um circuito de comutação?

Se você respondeu “SIM” para todas as perguntas acima, então LDO pode ser uma boa escolha. Mas, qual será a especificação do LDO? Bem, isso depende dos parâmetros abaixo.

Voltagem de saída.
Tensão de entrada mínima e máxima.
Corrente de saída.
Pacote dos LDOs.
O custo e a disponibilidade.
A opção Habilitar e Desabilitar é necessária ou não.
Opções de proteção adicionais que são necessárias para o aplicativo. Como proteção contra sobrecarga de corrente, UVLO e OVLO, etc.

LDOs populares no mercado

Cada fabricante de IC de alimentação, como Texas Instruments, Linear Technology etc., também tem algumas soluções para LDO. A Texas Instruments tem uma ampla gama de LDOs, dependendo de várias necessidades de projeto, o gráfico abaixo mostra sua enorme coleção de LDOs com uma ampla gama de corrente de saída e tensão de entrada.

Da mesma forma, a tecnologia Linear de dispositivos analógicos também possui alguns reguladores de baixa queda de alto desempenho.

LDO - Exemplo de Design

Vamos considerar um caso prático em que LDO será obrigatório. Suponha que uma solução simples, de baixo custo e com economia de espaço seja necessária para converter a saída da bateria de lítio 3,7 V em uma fonte estável de 3,3 V 500 mA com limite de corrente curto e proteção térmica. A solução de energia precisa ser conectada a um microcontrolador para habilitar ou desabilitar alguma carga e a eficiência pode ser de 50-60%. Como precisamos de uma solução simples e de baixo custo, podemos descartar os projetos do regulador de comutação.

Uma bateria de lítio pode fornecer 4,2 V durante a condição de carga total e 3,2 V na condição totalmente vazia. Portanto, o LDO pode ser controlado para desconectar a carga em situação de baixa tensão, detectando a tensão de entrada do LDO pela unidade de microcontrolador.

Para resumir, precisamos de tensão de saída de 3,3 V, 500 mA de corrente, opção de pino Ativar, contagens de peças baixas, requisitos de queda de cerca de 300-400 mV, proteção de curto-circuito de saída junto com recurso de desligamento térmico. Para esta aplicação, minha escolha pessoal de LDO é MCP1825 - Regulador de tensão fixa de 3,3V por microchip.

A lista completa de recursos pode ser vista na imagem abaixo, retirada da folha de dados -

Abaixo está o diagrama do circuito de MCP1825 junto com a pinagem. O esquema também é fornecido na ficha técnica, portanto, simplesmente conectando alguns componentes externos como resistor e capacitor, podemos facilmente usar nosso LDO para regular a tensão necessária com dorp de tensão mínima.

LDO - Diretrizes de design de PCB

Depois de escolher o LDO e testá-lo para funcionar em seu projeto, você pode prosseguir com o projeto do PCB para o seu circuito. A seguir estão algumas dicas que você deve se lembrar ao projetar uma PCB para componentes LDO.

Se o pacote SMD for usado, é essencial fornecer uma área de cobre adequada nos PCBs, pois os LDOs dissipam os calores.
A espessura do cobre é um dos principais contribuintes para uma operação sem problemas. Espessura de cobre de 2 onças (70um) será uma boa escolha.
C1 e C2 precisam estar o mais próximo possível do MCP1825.
O plano de aterramento espesso é necessário para problemas relacionados ao ruído.
Use Vias para dissipação de calor adequada em PCBs de dupla face.