Entendendo Circuitos LDO: Princípios, Dicas de Design e Aplicações

Você está projetando uma estratégia de regulação de potência para seu PCB? Ou está trabalhando na criação de uma fonte de alimentação personalizada para sua placa? Se sim, é vital refletir sobre a melhor maneira de controlar a potência que você envia aos seus componentes. E isso se aplica — especialmente se você está lidando com sistemas digitais de alta velocidade. Então, a fonte de potência importa? Seja você tirando potência de tensão de linha ou bateria — é pertinente controlar a potência de entrada ao melhor nível para seu sistema. Por exemplo, se você está usando potência de bateria, um circuito LDO será ideal. E é porque o regulador linear fornece tensão adequada. Além disso, oferece uma tensão estável mais baixa a partir da tensão de entrada.

Dito isso, falaremos mais sobre o LDO destacando seus elementos, princípios de funcionamento, aplicações, e mais.

Vamos começar!

O Que é LDO?

LDO é um acrônimo que significa Low Dropout (Baixa Queda). Você também pode chamá-lo de tipo de regulador linear de saturação ou baixa perda. E funciona em uma baixa PD (diferença de potencial) entre tensão de entrada e saída.

O regulador LDO só pode aceitar tensões de entrada que são um pouco maiores que a tensão de saída preferida. E é porque o dispositivo é um conversor DC-DC step-down com tensão de entrada variável. Então, a tensão de dropout refere-se à menor variância ligando a entrada e a tensão de saída preferida ou entrada de fonte de alimentação.

Além disso, independentemente da baixa eficiência de potência do dispositivo, ele pode operar de forma estável com uma tensão de dropout baixa de ~1V. O regulador de tensão linear também pode oferecer diferentes níveis de tensão com saída estável e constante.

Além disso, a tensão de saída do LDO é independente da descarga da bateria, temperatura, perda de potência e impedância de carga. Por exemplo, sua bateria Li-ion tem faixa de alimentação de entrada de 2,7V a 4,2V. O 2,7V significa bateria totalmente descarregada, enquanto 4,7V é bateria totalmente carregada. Então, se a tensão da bateria cair abaixo de 3V, o LDO pode manter sua saída em 2,5V.

Quais São os Elementos do Regulador LDO?

Os elementos ou componentes-chave de um LDO incluem:

Amplificador de Erro

Amplificador de Erro no Diagrama de Circuito

Fonte: Wikimedia Commons

Se você planeja projetar o amplificador de erro do LDO, é vital desenhar a menor corrente possível. Por quê? Porque a capacitância do gate do transistor de passagem é grande. Portanto, a resistência de saída do amplificador deve ser muito baixa.

Também, o amplificador de erro tem duas entradas. A primeira é quando o divisor de tensão escala a tensão de saída para baixo. Então, a tensão de referência é a próxima. Então, quando termina de comparar ambas as entradas, o amplificador de erro modificará a resistência do elemento de passagem.

Elemento de Passagem

Elemento de Passagem no Diagrama de Circuito

Fonte: Wikimedia Commons

O amplificador de erro aciona o elemento de passagem dentro do loop de realimentação. E o elemento de passagem ajuda a mover tensão para a carga a partir da entrada. Além disso, você pode usar NMOS e PMOS como elementos de passagem.

Quando você olha de perto o circuito, notará que V_o(s) conecta a V_1(s). Além disso, o transistor PMOS precisa de tensão mínima para regular corretamente e permanece saturado.

E a menor tensão drain-source V_2(s) é responsável por dar a menor tensão. Mas, é importante notar que o elemento de passagem PMOS não é ideal para dispositivos de tensão extremamente baixa.

Também, você pode obter baixa tensão de dropout, saída e entrada com transistor NMOS. O benefício do LDO baseado em elemento de passagem (NMOS) é que a saída do regulador reside no source do transistor. Além disso, o NMOS entra na configuração seguidor de source.

Referência de Tensão

Este elemento refere-se ao ponto de partida de qualquer regulador, pois define o ponto de operação do amplificador de erro. Também, você pode usar referência de tensão tipo band-gap — já que permite trabalho em tensões de alimentação baixas.

Capacitor de Saída

Capacitor de Saída Potente

Fonte: Wikimedia Commons

No evento de transientes de carga, o capacitor de saída permite que o LDO mova corrente dentro da carga — e o amplificador de erro se estabiliza.

Também, o ESR do capacitor desempenha um papel enorme pois limita o fluxo de tensão movendo-se para a carga a partir do capacitor. Então, se você está trabalhando com capacitor de 1µF que tem faixa ESR (10 a 300m Ohms), você pode usar os seguintes tipos de capacitores:

• Capacitores Tantalum Baixo ESR
• Capacitores Cerâmicos
• Capacitores Eletrolíticos Polímero

Realimentação

Este elemento ajuda você a reduzir a tensão de saída. Além disso, permite a comparação entre referência e tensão de saída usando o amplificador de erro.

Características do LDO

1. O regulador de baixo ruído pode emitir tensão estável. E faz isso sem ser afetado pela mudança de tensão de entrada. Então, o LDO é perfeito para fornecer tensão a dispositivos propensos a ruído.
2. O dispositivo requer alguns componentes externos (resistores ou capacitores).
3. LDO tem função de limite de corrente que protege sistemas de calor excessivo.
4. LDO tem circuito de descarga de saída que ajuda a descarregar rapidamente e baixar a tensão do terminal de saída próximo ao GND do CI.
5. O dispositivo tem função de desligamento térmico, e ajuda a evitar destruição e deterioração.

Como o LDO Funciona?

Diagrama de Circuito Regulador de Tensão LDO

Os principais componentes do LDO são a fonte de tensão de referência, elemento de passagem e amplificador de erro. E o elemento de passagem é ou FET canal P ou canal N. Então, começa aplicando a tensão de entrada ao elemento de passagem (transistor canal N).

Então, o transistor trabalha em região linear para diminuir a tensão de entrada. Este processo continua até a tensão de entrada chegar à tensão de saída preferida. Neste ponto, o amplificador de erro reconhece a tensão de saída resultante. Depois, o amplificador de erro comparará os dois parâmetros (tensão de saída e referência).

Também, o amplificador de erro alterará o gate do FET para o ponto de operação correto. Consequentemente, ajuda a garantir que a saída tenha tensão precisa. Portanto, o amplificador de erro ajustará o FET para ter tensão de saída constante quando a tensão de entrada muda.

O que acontece quando as condições de operação estão em estado estacionário? Bem, o LDO atuará como um resistor simples. Além disso, você pode ligar ou desligar o regulador com seu pino Enable. Esta função ajuda usuários a evitar uso de bateria — quando o LDO não está em uso.

Quando Usar um LDO?

1. Se você tem ampla faixa de tensão de entrada, o LDO é ideal. No entanto, é essencial considerar obter saída de tensão estável da fonte de alimentação. Também, você não precisará ajustar o sinal PWM no loop de realimentação. E é porque os componentes não precisam de realimentação ao elemento de comutação.
2. Você pode usar um LDO quando precisa que seu sistema tenha potência de saída constante — independentemente da queda de tensão de entrada.
3. O LDO também é útil para reduzir a saída para corresponder à tensão de saída preferida.

Outros Circuitos LDO Avançados

Um LDO avançado visa dar tensão de referência selecionável pelo usuário. Esta função torna o dispositivo programável.

Tipicamente, o LDO pode desviar altas frequências para ground. E é tudo graças ao capacitor shunt diagonal à saída. Mas designers de circuito prestam mais atenção em filtrar a saída de regulador multi-estágio. Tristemente, não focam em filtragem de entrada.

Portanto, você pode melhorar seu LDO com filtros EMI. Dessa forma, seu dispositivo será compatível EMC/CISPR. Curiosamente, este recurso é crucial para produzir harmônicas de ordem superior com reguladores de chaveamento.

Além disso, você também pode adicionar outros aspectos necessários para melhorar distribuição de potência para seu sistema (analógico e digital).

Parâmetros Importantes para Selecionar um LDO

Aqui estão parâmetros importantes a considerar antes de escolher um LDO:

Regulação de Carga

Este parâmetro refere-se à capacidade do circuito de manter uma tensão de saída particular sob diferentes condições de carga.

Regulação de Carga = ∆Vout/ ∆Iout

Corrente Quiescente

Quiescente é estado de dormência. Portanto, corrente quiescente é quando um sistema consome corrente em modo standby. Também, isso só acontece quando uma bateria conecta ao seu dispositivo.

Resposta Transitória

Resposta transitória descreve a maior diferença de tensão de saída permitida para mudança de degrau de corrente de carga. Você também pode chamar de resposta de degrau de linha. E este parâmetro é função do seguinte:

Corrente de carga máxima (I_{out max})

ESR do capacitor de saída

Valor do capacitor de saída (C_out)

Capacitor Bypass (C_b)

A equação da resposta transitória é:

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

Regulação de Linha

Regulação de linha é a capacidade de um circuito reter uma tensão de saída particular com diferentes tensões de entrada. E você pode expressar como:

Regulação de Linha = ∆Vout / ∆Vin

PSRR (Razão de Rejeição da Fonte de Alimentação)

O PSSR de um LDO é quando o dispositivo pode descartar elementos CA. Um bom exemplo de elementos CA é tensão de ripple. Então, você pode expressar com a equação abaixo:

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

Aplicações do Circuito LDO

Você pode usar o circuito LDO nas seguintes aplicações:

• Fontes de alimentação lineares de alta eficiência
• Computadores
• Pós-regulador SMPS e módulos DC/DC
• Comunicação sem fio e com fio
• Aplicação automotiva
• Dispositivos alimentados por bateria
• Regulação VPP / PCMCIA VCC
• Aplicação industrial
• Fornecimento de núcleo digital

Considerações Finais

O circuito LDO desempenha papel significativo na indústria eletrônica. Afinal, a maioria das fontes de alimentação requer um regulador linear para obter tensão preferida. Então, o dispositivo é ideal para projetos que requerem potência de saída constante independentemente da queda de tensão de entrada.

Também, você pode referenciar o diagrama de circuito para entender os componentes principais. Quais são seus pensamentos sobre reguladores LDO? Sinta-se à vontade para nos contatar para mais informações.