Liniowe regulatory napięcia - dobór układu do aplikacji

Czwartek, 28 września 2006 | Technika

Bez względu na to, czy konieczne jest zapewnienie bardzo małych zakłóceń w aplikacjach w.cz., czy też ograniczenie do minimum poboru prądu w stanie spoczynkowym w urządzeniach bateryjnych, zawsze znajdziemy regulator LDO dostosowany do naszych wymogów. Kwestią jest tylko wybór właściwego układu do konkretnej aplikacji. Liczba aspektów, pod którymi można rozpatrywać liniowe regulatory LDO może zamącić w głowie projektantowi nie zajmującemu się na co dzień elektroniką analogową. Na działanie regulatora wpływa szereg różnych parametrów, które w dodatku są ze sobą ściśle powiązane. Dopiero rozumiejąc znaczenie każdego z nich będziemy w stanie zdecydować, jakie należy przyjąć kompromisy, aby uzyskać optymalne działanie regulatora. Większość parametrów mających wpływ na właściwości regulatora można podzielić na trzy kategorie: stałoprądowe, zmiennoprądowe i typ obudowy. Parametry stałoprądowe obejmują samą regulację napięcia, pobór prądu (upływ prądu do masy) w stanie spoczynkowym i wartość napięcia dropout (różnicy pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym).

Liniowe regulatory napięcia - dobór układu do aplikacji

Bez względu na to, czy konieczne jest zapewnienie bardzo małych zakłóceń w aplikacjach w.cz., czy też ograniczenie do minimum poboru prądu w stanie spoczynkowym w urządzeniach bateryjnych, zawsze znajdziemy regulator LDO dostosowany do naszych wymogów. Kwestią jest tylko wybór właściwego układu do konkretnej aplikacji. Liczba aspektów, pod którymi można rozpatrywać liniowe regulatory LDO może zamącić w głowie projektantowi nie zajmującemu się na co dzień elektroniką analogową. Na działanie regulatora wpływa szereg różnych parametrów, które w dodatku są ze sobą ściśle powiązane. Dopiero rozumiejąc znaczenie każdego z nich będziemy w stanie zdecydować, jakie należy przyjąć kompromisy, aby uzyskać optymalne działanie regulatora.

Większość parametrów mających wpływ na właściwości regulatora można podzielić na trzy kategorie: stałoprądowe, zmiennoprądowe i typ obudowy. Parametry stałoprądowe obejmują samą regulację napięcia, pobór prądu (upływ prądu do masy) w stanie spoczynkowym i wartość napięcia dropout (różnicy pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym). Oczywistym wydaje się być także dokładność napięcia wyjściowego, jednak o dokładności regulatora LDO w rzeczywistości decyduje suma kilku parametrów. Parametry zmiennoprądowe wpływają bezpośrednio na integralność napięcia wyjściowego. Trzecią ważną kategorią jest dobór właściwego typu obudowy do konkretnego zastosowania regulatora.

Parametry stałoprądowe i dokładność

Wybierając rodzaj regulatora LDO lub dowolnego innego regulatora, pierwszą i najważniejszą rzeczą jest specyfikacja parametrów stałoprądowych. Kluczowe jest tu zrozumienie wymogów stałoprądowych obciążenia, do którego doprowadzone będzie regulowane napięcie i na tej podstawie wybór rodzaju regulatora. Parametrem o krytycznym znaczeniu dla konkretnego obciążenia może być np. duża dokładność napięcia wyjściowego lub małe napięcie dropout.
Dokładność napięcia wyjściowego odnosi się do akceptowalnej przez daną aplikację odchyłki napięcia rzeczywistego od wartości znamionowej. W przypadku mikroprocesorów jest to około ±5%, natomiast w przypadku procesorów sieciowych ±10%, wliczając w to wszystkie możliwe odchyłki wynikające z parametrów stałoprądowych i zmiennoprądowych. Oznacza to, że napięcie na wyjściu regulatora nigdy nie może wzrosnąć/obniżyć się o 10% w stosunku do wartości nominalnej. Choć pozornie wydaje się to łatwe do osiągnięcia, to jednak w rzeczywistości sumując wpływ parametrów stało- i zmiennoprądowych oraz strat na ścieżkach płytki drukowanej przewodzących duże prądy, osiągnięcie tego poziomu dokładności wcale nie jest rzeczą prostą. W przypadku aplikacji mobilnych, a zwłaszcza komunikacji mobilnej, jak telefony bezprzewodowe czy sieci WLAN, krytycznym parametrem jest dokładność napięcia wyjściowego regulatora. Nie chodzi tu nawet o podawaną przez producentów tolerancję napięcia zasilającego układ scalony, ale o wpływ napięcia zasilającego na pozostałe parametry urządzenia, zwłaszcza sekcji w.cz.
Dokonując optymalizacji pracy urządzenia bateryjnego zasilanego z typowej baterii litowo-jonowej, projektant może dojść do przekonania, że system charakteryzuje się najlepszymi właściwościami przy w pełni naładowanej baterii (4,2V) oraz przy zasilaniu sekcji w.cz. napięciem 3V. Niemniej jednak, w trakcie pracy napięcie na wyjściu baterii litowo-jonowej może obniżyć się nawet do 3,0V, dlatego też sekcja w.cz. musi wówczas pracować przy odpowiednio mniejszym napięciu zasilania, aby zapewnić regulację napięcia i odpowiednie parametry nadajnika. Większość sekcji w.cz. obecnych telefonów bezprzewodowych pracuje z regulacją napięcia na poziomie 2,85V przy dokładności od 3 do 5%. Aby zapewnić taki margines, regulator LDO powinien charakteryzować się dokładnością początkową 1%, natomiast zmiany napięcia wyjściowego wywołane m.in. zmianami temperatury nie powinny w najgorszym przypadku przekroczyć 2%.
Dwa inne współczynniki mają wpływ na dokładność napięcia wyjściowego regulatora. Współczynnik Line Regulation odpowiada zmianie napięcia wyjściowego wywołanej zmianą napięcia na wejściu regulatora. Przykładowo, w telefonie przenośnym napięcie zasilające może się wahać od 4,2V przy w pełni naładowanej baterii do 3,2V. Powoduje to zmiany napięcia wyjściowego, wywołane zmianą warunków polaryzacji regulatora. Dla większości regulatorów LDO zmiany te są bardzo małe, gdyż wewnętrzna pętla sterująca ma dostatecznie duży zapas wzmocnienia. Równanie opisujące zmianę napięcia wyjściowego w funkcji zmiany napięcia wejściowego ma postać:

Można to również zapisać w odniesieniu do wielkości zmiany napięcia wejściowego. Jest to istotne w przypadku regulatorów o szerokim zakresie napięć wejściowych, gdzie nominalne napięcie wejściowe wynosi np. 5 lub 12V, ale regulator jest narażony na przepięcia sięgające np. 28V. W tym równaniu zmiana napięcia wyjściowego jest odniesiona do bezwzględnej zmiany napięcia wejściowego:

Współczynnik Load Regulation odpowiada zmianie napięcia wyjściowego wywołanej zmianą natężenia prądu wyjściowego. Jeśli na przykład natężenie prądu wyjściowego zmienia się skokowo od 100µA do 150mA, wówczas na wyjściu obserwujemy zmianę napięcia DC spowodowaną zmianą warunków polaryzacji regulatora. Wielkość tej zmiany jest proporcjonalna do wzmocnienia z otwartą pętlą wzmacniacza błędu. Im większe wzmocnienie, tym lepsza jest korekcja zmian napięcia wyjściowego i odwrotnie. Zalety dużego wzmocnienie pętli są więc oczywiste, natomiast nie tak oczywiste są już jego wady. Większe wzmocnienie pętli zazwyczaj wymaga bardziej złożonego projektu, gdyż konieczne jest ograniczenie wzmocnienia przy większych częstotliwościach w celu zapobiegania oscylacjom. Zachowanie właściwego balansu pomiędzy wzmocnieniem pętli i stabilnością jest istotne zwłaszcza w zasilaczach urządzeń radiowych. Współczynnik Load Regulation jest zazwyczaj wyrażany w dwóch postaciach: jako bezwzględna zmiana napięcia dla ustalonego zakresu prądów wyjściowych lub jako procentowa zmiana napięcia w stosunku do zmiany prądu wyjściowego o 1mA:

lub

Całkowita dokładność napięcia wyjściowego stanowi sumę obu powyższych współczynników.
Przykładowo, MIC5305 jest regulatorem o małych współczynnikach Load Regulation i Line Regulation oraz dużej dokładności napięcia wyjściowego. Rys. 1 przedstawia całkowitą dokładność napięcia wyjściowego z podziałem na trzy składowe: dokładność początkową w całym zakresie dopuszczalnych temperatur pracy, Line Regulation i Load Regulation. Dla większości regulatorów wzrost prądu wyjściowego powoduje spadek napięcia wyjściowego, jednak producenci podają zazwyczaj napięcia zmiany w obu kierunkach, dlatego też taką sytuację przedstawiono na rysunku.

Napięcie dropout i prąd upływu do masy

Napięcie dropout jest to minimalna różnica pomiędzy napięciem na wejściu i wyjściu, gwarantująca poprawne działanie regulatora.

W większości przypadków elementem przepustowym w regulatorze jest tranzystor bipolarny PNP lub P-kanałowy tranzystor MOSFET. W regulatorach z tranzystorem PNP napięcie dropout jest uzależnione od napięcia nasycenia V_CE(sat) i wynosi typowo 200-300mV. W regulatorach z tranzystorem MOSFET napięcie dropout zależy od rezystancji R_DS(on), a w konsekwencji od napięcia V_GS, które praktycznie w każdym regulatorze LDO z tranzystorem PMOS odpowiada napięciu pomiędzy wejściem i masą. Zaletą regulatorów PMOS jest mniejsza powierzchnia krzemu potrzebna do zrealizowania tranzystora w stosunku do regulatora z tranzystorem PNP o zbliżonym napięciu dropout.
Zaletą małego napięcia dropout jest możliwość zasilania regulatora niższym napięciem przy ustalonych parametrach wyjściowych. Jeżeli napięcie dropout jest równe 150mV przy prądzie wyjściowym 300mA, wówczas minimalne napięcie wejściowe konieczne do poprawnej pracy regulatora o parametrach wyjściowych 3,0V/300mA wynosi 3,3V. Jednak sytuacja taka występuje wówczas, gdy tranzystor (PNP lub PMOS) jest całkowicie włączony, a pętla sprzężenia traci swoje właściwości i staje się przełącznikiem liniowym - wszystkie szumy na wejściu regulatora zostają przenoszone bezpośrednio na wyjście. Gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej 3,3V, wówczas napięcie wyjściowe również zostaje odpowiednio zmniejszone, stanowiąc różnicę pomiędzy napięciem wejściowym i napięciem dropout. Aby zapewnić dobre właściwości regulacyjne niezbędny jest dodatkowy margines powyżej napięcia dropout, który zagwarantuje tłumienie szumów na wejściu regulatora.

Rys 1. Całkowita dokładność napięcia wyjściowego regulatora LDO stanowi sumę współczynników Line Regulation, Load Regulation i zmian napięcia wyjściowego w funkcji temperatury.

Upływ prądu do masy jest to prąd niezbędny do poprawnego funkcjonowania regulatora, stanowiący sumę prądów polaryzujących i prądu sterującego tranzystorem przepustowym. Jest to jedyny parametr, na który wpływają bezpośrednio właściwości wewnętrznego tranzystora. Najważniejszym parametrem tranzystora PNP jest jego wzmocnienie prądowe (beta), określające minimalny prąd sterujący bazą konieczny do przepływu wymaganego prądu wyjściowego. Jeśli współczynnik beta wynosi około 100, wówczas prąd wpływający do bazy konieczny do przepływu prądu wyjściowego 100mA wynosi 1mA. Całkowity prąd upływu do masy regulatora stanowi sumę prądu bazy i prądów polaryzacji. W przypadku regulatora z tranzystorem przepustowym PMOS, sterowanie tranzystorem odbywa się napięciowo, w związku z czym prąd upływu do masy może być taki sam przy zerowym i maksymalnym prądzie wyjściowym regulatora. Przy maksymalnym obciążeniu prąd upływu do masy będzie mniejszy w regulatorach z tranzystorem PMOS niż w regulatorach z tranzystorem PNP. Prąd polaryzacji, niezależnie od technologii wykonania regulatora, jest zazwyczaj proporcjonalny do jego osiągów. Mały prąd polaryzacji oznacza mniejsze wzmocnienie pętli i mniejszą dokładność. Wpływa też ujemnie na parametry zmiennoprądowe, takie jak tłumienie zakłóceń źródła zasilającego, odpowiedź impulsowa i szum generowany wewnątrz regulatora.

Parametry zmiennoprądowe

Szereg parametrów zmiennoprądowych regulatora ma wpływ na właściwości systemu zasilającego. Trzy najważniejsze to tłumienie tętnień zasilania, szybkość odpowiedzi impulsowej i wewnętrzny szum regulatora. Równie istotnym parametrem, który jednak nie będzie tu omawiany, jest stabilność pętli. Bez stabilnej pętli sprzężenia wszystkie pozostałe parametry są nieistotne.
Tłumienie tętnień zasilania (PSRR) mówi o zdolności regulatora do tłumienia szumu wejściowego na określonej częstotliwości. Parametr ten jest mierzony w funkcji częstotliwości i podawany w dB. Określa go następujące równanie:

V_OUT i V_IN to napięcia stałe mierzone przy określonej częstotliwości. Znaczenie tego parametru w przypadku urządzeń o zasilaniu bateryjnym może nie być oczywiste, gdyż bateria stanowi niemal idealne źródło zasilania, pozbawione tętnień. Jednak w przypadku baterii litowo-jonowych mamy do czynienia ze stosunkowo dużą impedancją wyjściową w stosunku do innych technologii produkcji, co powoduje stosunkowo duże zmiany napięcia wyjściowego przy zmianach prądu obciążenia. W telefonach GSM występuje to wyraźnie w trakcie cykli nadawczych i odbiorczych, a duże wahania napięcia zasilającego są przenoszone do wejść wszystkich regulatorów w urządzeniu. Regulatory zasilające obwody wrażliwe na zakłócenia, np. obwód w.cz. muszą się charakteryzować skutecznym tłumieniem tętnień zasilania.
Przy odpowiednio dużym współczynniku PSRR wahania napięcia zasilającego są tłumione i nie przedostają się do sekcji w.cz., zapewniając jej poprawną pracę. Dodatkowym zagadnieniem w przypadku stosowania baterii litowo-jonowej jest fakt, że napięcie na jej wyjściu może wahać się pomiędzy 3,0V i 4,2V, a impedancja wyjściowa baterii wzrasta przy spadku napięcia wyjściowego i w zakresie niskich temperatur. Oznacza to, że przy niskim napięciu zasilania i przy niskich temperaturach zmiany napięcia zasilającego regulator wywołane zmianami prądu pobieranego przez telefon transmitujący dane będą znacznie większe. Tak więc, dla tego samego współczynnika PSRR będą pojawiać się większe szumy na wyjściu regulatora. Współczynnik PSRR wymagany dla zapewnienia odpowiednich parametrów sekcji w.cz. w warunkach ekstremalnych musi być więc bardzo duży. Wybierając regulator LDO do tego typu aplikacji musimy zwrócić szczególną uwagę na specyfikacje PSRR dla różnych warunków pracy.

Odpowiedź impulsowa

Rys 2. Zasilanie urządzeń radiowych, np. telefonów GSM, wymaga regulatora LDO o dużym współczynniku PSRR.

Wszystkie zasilacze potrzebują określonego czasu, aby zareagować na zmiany warunków pracy. Reakcja zasilacza przypomina nieco reakcję człowieka - potrzebuje on czasu na określenie co się stało i reakcję. Gdy napięcie wejściowe regulatora ulega gwałtownej zmianie, zmienia się także napięcie wyjściowe, co wynika ze zmiany warunków polaryzacji i zmiany parametrów panujących w stanie ustalonym. Czas odpowiedzi impulsowej stanowi sumę dwóch przedziałów czasu: pierwszego, w którym regulator „zauważa” zmianę napięcia na wyjściu i drugiego, w którym zaczyna korygować to napięcie w stronę wartości nominalnej. Współczynnik ten jest uzależniony od różnych kryteriów, między innymi prądów polaryzacji, współczynników slew-rate wzmacniaczy i pojemności wyjściowej, pod kątem której została zaprojektowana pętla sprzężenia. Im większa jest pojemność wyjściowa, tym mniejsza zmiana napięcia zostanie zaobserwowana na wyjściu regulatora. Podobnie, jak w przypadku zmiany prądu wyjściowego. Gdy wyjście regulatora „widzi” dużą zmianę prądu wyjściowego, wyjściowy kondensator rozładowywuje się do momentu, gdy regulator zaczyna reagować na

Rys. 3. Analiza odpowiedzi impulsowej pokazuje spadek napięcia wyjściowego wywołany skokowym zwiększeniem się prądu obciążenia.

zmianę prądu i napięcia wyjściowego, przywracając wartości panujące w stanie ustalonym.
Na rys. 3 przedstawiono wpływ kondensatora wyjściowego na odpowiedź impulsową regulatora. Jest to wykres przedstawiający przebieg napięcia wyjściowego w trakcie skokowego zwiększenia się prądu pobieranego przez obciążenie. W pierwszej chwili napięcie zmienia się o wartość rezystancji ESR kondensatora wyjściowego pomnożonej przez zmianę natężenia prądu. Skok napięcia na kondensatorze wyjściowym jest tym większy, im większa jest zmiana prądu i rezystancja ESR.
Jest to praktycznie jedyne ograniczenie odnośnie parametrów kondensatora wyjściowego, przekazującego prąd do obciążenia. Jeśli zmiana prądu nastąpi przy dużym współczynniku slew-rate (lub w bardzo krótkim czasie dt), wówczas zmiana napięcia będzie większa z uwagi na to, że ESR rośnie wraz z częstotliwością. Odpowiedź pętli sprzężenia zwrotnego regulatora na zmianę obciążenia jest widoczna na wykresie w postaci spadku napięcia i czasu potrzebnego do rozpoczęcia fazy zwiększania się napięcia. Analizując odpowiedź impulsową można dość dokładnie estymować wielkosygnałowe pasmo pętli.
Osiągnięcie szerokiego pasma wielkosygnałowego i dużego współczynnika slew-rate jest związane ze znaczącym poborem prądu przez regulator. Regulatory określane mianem low-power odznaczają się małym poborem prądu, jak również wolną odpowiedzią impulsową. Wykresy przedstawione na rys. 4a i 4b pokazują różnicę w odpowiedzi impulsowej regulatora o prądzie wyjściowym 150mA i prądzie spoczynkowym 18µA (MIC5235) oraz regulatora o prądzie wyjściowym 150mA i prądzie spoczynkowym 90µA (MIC5305). Pierwszy z nich, pomimo dużej pojemności wyjściowej, w dalszym ciągu wykazuje większy spadek napięcia związany z dłuższym czasem odpowiedzi na zmiany prądu obciążenia. MIC5305 charakteryzuje się znacznie szybszą odpowiedzą impulsową i mniejszym spadkiem napięcia wyjściowego pomimo tego, że kondensator wyjściowy ma mniejszą pojemność.

Szum własny

Jest to szum generowany wewnątrz regulatora LDO. Parametr ten jest istotny w sekcji w.cz. telefonów komórkowych i innych urządzeń radiowych, zwłaszcza w przypadku oddzielnego zasilania takich bloków, jak np. oscylator VCO. Oscylator VCO zapewnia znacznie lepsze parametry, gdy zasilający go regulator generuje małe szumy własne i odznacza się dużym współczynnikiem PSRR.
Pomiar szumu własnego nie jest zadaniem prostym, a omawianie zagadnień z tym związanych znacznie wykraczałoby poza objętość tego artykułu. Ogólnie rzecz biorąc szum własny regulatora może być rozpatrywany na dwa sposoby. Widmowa gęstość szumu jest wyrażana w V/√Hz i określana dla konkretnej częstotliwości. Wykres widmowej gęstości szumu jest zawsze prezentowany dla szerokiego zakresu częstotliwości (rys. 5).

Rys. 4a.

Rys. 4b (+ opis 4a) Czas odpowiedzi impulsowej regulatora MIC5235 (powyżej) jest dłuższy, niż czas odpowiedzi regulatora MIC5305 (poniżej). Mniejszy pobór prądu w stanie spoczynkowym wiąże się z dłuższym czasem odpowiedzi na zmianę prądu obciążenia.

Wiele osób przyzwyczaiło się określać szum w Vrms. Jest to stałe napięcie szumów na wyjściu w określonym paśmie częstotliwości. Rysunek 5 przedstawia szum w szerokim paśmie. Jeśli wykres ten zostałby „pocięty” na wąskie pasma, np. 10Hz...100kHz, wówczas po scałkowaniu pola pod krzywą otrzymalibyśmy napięcie szumów na wyjściu w µVrms, odnoszące się dla danego zakresu częstotliwości. Jest to uproszczony sposób określania szumu regulatora. Takie podejście może być o tyle mylące, że wielu producentów niskoszumnych regulatorów LDO celowo ogranicza pasmo pomiarowe, aby napięcie szumu wyrażone w µVrms było jak najmniejsze. Przykładowo, jeśli gęstość widmowa szumu osiąga duże wartości w paśmie poniżej 100Hz (co jest zresztą typowe), wówczas wyłączając tą część pasma z pomiarów otrzymamy znacznie mniejsze napięcie skuteczne szumu na wyjściu. Tak więc, projektanci zobaczą na wielu kartach katalogowych regulatorów LDO jedynie napięcie skuteczne szumu w paśmie 100Hz...100kHz, lub nawet 300Hz...50kHz. Jest to sposób na zamaskowanie rzeczywistego napięcia szumu na wyjściu. Przyjętym standardem przemysłowym jest określanie napięcia szumu w paśmie od 10Hz do 100kHz.
Rozważając wybór regulatora LDO należy przeanalizować wykres widmowej gęstości szumu, gdyż parametr ten pozwala dokładnie określić, gdzie możemy się spodziewać problemów. Gdy w dowolnym punkcie skali częstotliwościowej widmowa gęstość napięcia szumu jest większa niż 1µV/√Hz, należy spodziewać się tam problemów. Jeśli gęstość widmowa szumu w paśmie powyżej 10Hz szybko spada z wartości 1µV/√Hz, wówczas szumna wyjściu regulatora będzie mały. Jeśli natomiast gęstość widmowa szumu nie zmniejsza się, lub zmniejsza się dopiero przy wyższych częstotliwościach rzędu 1...10kHz, wtedy szum na wyjściu regulatora może stanowić poważny problem. Aby uniknąć zakłócania obwodów w.cz. w zasilanych urządzeniach, należy przyjąć, że na częstotliwości 1kHz gęstość widmowa szumu powinna wynosić w najgorszym wypadku około 100nV/√Hz.
O ile szum własny regulatora jest istotnym parametrem, to w pewnych warunkach jego mała wartość może nie mieć żadnego znaczenia. Dzieje się tak za sprawą współczynnika PSRR. Przykładowo, jeśli poziom szumu własnego regulatora LDO wynosi 20µVrms, ale współczynnik PSRR wynosi tylko 50dB, wówczas wejściowe napięcie szumu równe 100mV przenosi się na wyjście z wartością 316µV. Całkowity szum na wyjściu stanowiący sumę obu składowych wynosi więc 336µV, toteż mały szum własny regulatora nie ma tu większego znaczenia. Mały szum własny regulatora LDO nabiera krytycznego znaczenia w dwóch przypadkach:

gdy wejściowe napięcie szumu jest bardzo małe lub wyjście jest bardzo czułe
gdy współczynnik PSRR jest bardzo duży (>70dB) i szum wejściowy zostaje stłumiony do poziomu porównywalnego z szumem własnym regulatora.

Obudowa

Rys. 5. Wykres gęstości widmowej szumu jest prezentowany dla szerokiego zakresu częstotliwości.

Wybierając liniowy regulator napięcia do konkretnej aplikacji - czy będzie to wymagający dużej sprawności obwód zarządzania mocą w urządzeniu bateryjnym, czy też urządzenie sieciowe, gdzie akceptowalne są większe straty mocy, będziemy mieli do czynienia z diametralnie różnymi technologiami wykonania obudów. Dostępne na rynku regulatory napięcia są wykonywane w wielu wariantach obudów, od miniaturowych uCSP, których powierzchnia jest zbliżona do powierzchni chipa, po obudowy dużej mocy S-Pak. Skoncentrujemy się tutaj na obudowach miniaturowych, w których produkowane są regulatory do urządzeń przenośnych.
Dobierając liniowy regulator napięcia do urządzenia przenośnego przede wszystkim należy zwrócić uwagę na warunki pracy. Jeśli np. zakres napięć wejściowych wynosi od 3V do 4,2V, napięcie wyjściowe jest stabilizowane na poziomie 1,5V, a prąd wyjściowy zmienia się od 100mA do 300mA, to najprawdopodobniej regulator LDO nie będzie optymalnym rozwiązaniem ze względu na stosunkowo dużą różnicę pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym w systemie. W urządzeniach przenośnych krytycznym parametrem jest czas działania na bateriach, a co za tym idzie uzyskanie jak największej sprawności. W konkretnym przykładzie podanym powyżej optymalne będzie więc zastosowanie przetwornicy DC-DC o dużej sprawności. Niemniej jednak w wielu urządzeniach przenośnych ciągle jeszcze znajdują się liniowe regulatory obniżające napięcie baterii litowo-jonowej do poziomu 1,8...3,3V.
Jeśli mamy do wyboru dwa typy regulatorów do urządzenia przenośnego, powinniśmy przeanalizować, który wariant obudowy jest optymalny do osiągnięcia optymalnych parametrów. Przykładowo, sekcja w.cz. telefonu komórkowego zazwyczaj wymaga zastosowania regulatora o napięciu wyjściowym 2,7...3,0V. Ponieważ źródłem zasilania jest zazwyczaj bateria litowo-jonowa, maksymalne napięcie wejściowe regulatora będzie wynosiło 4,2V. Prąd pobierany przez sekcję w.cz. waha się typowo od 20mA do 150mA. W najgorszym wypadku (z punktu widzenia mocy rozpraszanej w regulatorze), będziemy mieć do czynienia z następującymi parametrami:

V_in=4,2V, V_out=2,7V, I_out=150mA

Maksymalna moc rozpraszana w regulatorze będzie równa:

Pd = (V_in - V_out)∙I_out + V_in∙I_gnd

W przypadku regulatorów liniowych, w których prąd upływu do masy nie przekracza 1% wartości prądu wyjściowego, a napięcie wejściowe nie przekracza 5V, prąd upływu do masy będzie miał marginalne znaczenie i może zostać pominięty w obliczeniach. Dla powyższego przykładu moc rozpraszana w regulatorze wyniesie:

Pd = (4,2V - 2,7V)∙150mA = 225mW

Większość obudów regulatorów napięcia projektowanych pod kątem urządzeń przenośnych charakteryzuje się dopuszczalną mocą rozpraszaną w strukturze od 400 do 500mW.
W tabeli 1 przedstawiono trzy typy obudów regulatorów zasilających sekcję w.cz. telefonów przenośnych. Najpopularniejszym wariantem jest obudowa SOT23-5. Jest to obudowa SMD zajmująca na płytce drukowanej powierzchnię 3mm x 3mm i charakteryzująca się rezystancją termiczną około 235°C/W. Pozwala na rozproszenie mocy około 425mW w temperaturze pokojowej i około 230mW w temperaturze +70°C.
Relatywnie nową obudową dostępną na rynku jest obudowa MLF o powierzchni 2mm x 2mm, dwukrotnie mniejszej od SOT23. Charakteryzuje się też znacznie mniejszą rezystancją termiczną (93°C/W) wynikającą z umieszczenia na spodzie metalowej płytki odprowadzającej ciepło. Oznacza to możliwość bardziej skutecznego odprowadzania ciepła pomimo mniejszych wymiarów zewnętrznych. Obudowa SOT23 w przypadku regulatorów zasilających obwody w.cz. z trudem spełnia wymogi termiczne i nagrzewa się do wysokich temperatur. Dla najgorszego przypadku temperatura pracy złącza w obudowie SOT23 jest dużo większa niż w obudowie MLF. Wyznacza się ją z następującej zależności:

Pd = (t_j. - t_a)/R_THJ-A
czyli t_j = (Pd ∙ R_THJ-A) + t_a

Tak więc, dla najgorszego wypadku, w którym temperatura otoczenia wynosi +70°C dla obudowy SOT23 otrzymamy:

t_j = (225mW ∙ 235°C/W) + 70°C = 122,9°C,

natomiast dla obudowy MLF:

t_j = (225mW ∙ 93°C/W) + 70°C = 90,9°C.

Temperatura złącza w obudowie MLF jest mniejsza o około 30°C od temperatury złącza w obudowie SOT23. Wynika z tego istotna zaleta, choć niedostrzegalna na pierwszy rzut oka - w przypadku regulatorów CMOS większa temperatura złącza wiąże się z większym napięciem dropout. Tranzystory P-kanałowe, najczęściej wykorzystywane w regulatorach CMOS, wykazują dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji. Oznacza to liniowy wzrost napięcia dropout wraz ze wzrostem temperatury złącza. Regulator pracujący z mniejszą temperaturą złącza zapewni więc szerszy zakres margines bezpieczeństwa dla napięć wejściowych (szerszy zakres regulacji).
Obudowa CSP stanowi rozwiązanie idealne, ale tylko w przypadku urządzeń o ekstremalnie zwartej konstrukcji, z kilku powodów. Struktura umieszczona w obudowie SOT23-5 równa jest w przybliżeniu powierzchni obudowy CSP i wynosi typowo 1,0mm x 1,4mm. Wymiary obudowy CSP są więc ekstremalnie małe, ale rezystancja termiczna jest większa niż dla obudowy SOT23-5. Dla najgorszego przypadku oznacza to, że regulator umieszczony w obudowie CSP będzie się bardziej nagrzewał. Poza tym może rozpraszać stosunkowo małą moc, a technologia CSP jest droższa od SO i MLF. Niemniej jednak, powierzchnia obudowy CSP stanowi 25% powierzchni SOT i miej niż 50% powierzchni MLF, co w pewnych zastosowaniach jest elementem o decydującym znaczeniu.
Bardzo niewiele firm wykorzystuje obecnie technologię CSP, głównie z powodu dużych trudności związanych z lutowaniem tych obudów w procesie przepływowym. Dodatkową barierę stanowi cena. W dłuższej perspektywie czasu koszt produkcji obudów CSP spadnie z pewnością do poziomu porównywalnego z innymi obudowami, ale w chwili obecnej znacznie przewyższa on koszty produkcji obudów plastikowych.

Wybór regulatora LDO do aplikacji

Mając świadomość znaczenia różnych parametrów regulatora LDO w konkretnych aplikacjach musimy zdecydować się na przyjęcie optymalnych kompromisów. Przede wszystkim powinniśmy określić, które parametry mają krytyczne znaczenie w danej aplikacji. W tym celu musimy odpowiedzieć sobie na cztery najistotniejsze pytania:

czy regulator musi być przez cały czas włączony?
czy zasilane obwody są wrażliwe na szumy (jak np. obwód w.cz.), czy też napięcie szumów nie ma większego znaczenia (jak w przypadku obwodów cyfrowych)?
jakie jest maksymalne napięcie wejściowe regulatora, minimalne napięcie wyjściowe i maksymalny prąd pobierany przez obciążenie?
jaka jest dostępna powierzchnia płytki drukowanej?

Odpowiedź na pytanie 1 pozwala określić, czy regulator musi się charakteryzować małym upływem prądu do masy i/lub zawierać wyprowadzenie pozwalające na przełączenie go w tryb shutdown. W większości telefonów przenośnych znajdują się bloki wymagające stałego zasilania. Typowo, procesor pasma podstawowego (baseband) przez większość czasu pozostaje w stanie aktywnym, ale okresowo w trybie very low power pobiera 100μA prądu lub mniej. Regulator zasilający go powinien w tym trybie pobierać znacznie mniejszy prąd od procesora, aby zapewnić dużą sprawność konwersji.
Niejednokrotnie procesor wymaga kilku napięć zasilających, np. oddzielnego do zasilania jednostki obliczeniowej i oddzielnego do zasilania bloków I/O. Idealny jest w tym wypadku podwójny regulator LDO o małym upływie prądu do masy, taki jak MIC2122. Jest to podwójny regulator o małym upływie prądu do masy, zawierający blok power-on reset. Całkowity pobór prądu w stanie spoczynkowym wynosi tu 48μA. Dwa standardowe regulatory LDO pobierają w tych samych warunkach pracy około 200μA prądu.
Odnośnie pytania 2 można powiedzieć, że w przypadku zasilania bloków w.cz. krytycznym parametrem regulatora będą szumy własne i dokładność regulatora. Napięcie wyjściowe w stosunku do napięcia wejściowego musi się odznaczać bardzo małą składową szumu. Napięcie szumów na wyjściu zależy od trzech czynników: szumu własnego regulatora, współczynnika PSRR i szybkości odpowiedzi impulsowej. W idealnym przypadku regulator powinien być więc niskoszumny oraz charakteryzować się dużym współczynnikiem PSRR i szybką odpowiedzią impulsową. Niestety, jest to praktycznie niemożliwe do osiągnięcia w regulatorach o małym upływie prądu do masy. Z uwagi jednak na fakt, że blok w.cz. pozostaje zawsze w stanie ON lub OFF, prąd upływu do masy nie ma jest parametrem o krytycznym znaczeniu. MIC5305 jest przykładem regulatora niskoszumnego, charakteryzującego się dużym współczynnikiem PSRR i szybką odpowiedzią impulsową. W trybie spoczynkowym pobiera około 90μA prądu zasilania, trzykrotnie więcej od regulatorów o małym upływie prądu do masy, jednak dzięki temu odznacza się znakomitymi właściwościami szumowymi, porównywalnymi z najlepszymi pod tym względem regulatorami LDO dostępnymi na rynku. Dokładność napięcia wyjściowego jest istotna w przypadku zasilania bloków w.cz., np. oscylatora VCO oraz układów scalonych w torze nadawczym i odbiorczym.
Odpowiedź na pytania 3 i 4 pozwala określić wielkość mocy, która zostanie rozproszona wewnątrz urządzenia, jak również pozwala określić rodzaj obudowy regulatora, biorąc pod uwagę rozpraszaną moc i dostępną powierzchnię płytki drukowanej. W przypadku zasilania sekcji pasma podstawowego, gdzie napięcie może spaść poniżej 2,8V (nawet do 1,8V dla regulatorów liniowych), krytycznym parametrem jest moc rozpraszana w regulatorze. Najprawdopodobniej nie wchodzi tu w grę żaden regulator w obudowie CSP. Najlepszym rozwiązaniem będzie tu regulator w obudowie MLF oferujący idealny balans pomiędzy wymiarami i mocą rozpraszaną.

Tomasz Daniluk