Circuito de LDO:noções básicas, princípio de funcionamento e aplicações

Você está projetando uma estratégia de regulação de energia para o seu PCB? Ou você 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 energia que você envia para seus componentes. E isso se aplica, especialmente se você estiver lidando com sistemas digitais de alta velocidade. Então, a fonte de energia importa? Quer você receba energia de uma tensão de linha ou bateria, é pertinente controlar a energia de entrada para o melhor nível para o seu sistema. Por exemplo, se você estiver usando energia de uma bateria, um circuito LDO será ideal. E é porque o regulador linear fornece tensão adequada. Além disso, oferece uma tensão constante mais baixa da tensão de entrada.

Dito isso, falaremos mais sobre a LDO destacando seus elementos, princípios de trabalho, aplicações e muito mais.

Vamos começar!

O que é LDO?

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

O regulador LDO só pode receber tensões de entrada um pouco maiores do que a tensão de saída preferida. E é porque o dispositivo é um conversor DC-DC abaixador com uma tensão de entrada variável. Assim, a tensão de dropout refere-se à menor variação que liga a entrada e a tensão de saída preferida ou a entrada da fonte de alimentação.

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

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

Quais são os elementos do regulador de LDO?

Os elementos ou componentes-chave de uma 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 extrair a menor corrente possível. Por quê? Porque a capacitância da porta do transistor de passagem é grande. Portanto, a resistência de saída do amplificador deve ser muito baixa.

Além disso, o amplificador de erro tem duas entradas. A primeira é quando o divisor de tensão diminui a tensão de saída. Então, a tensão de referência é a próxima. Assim, ao terminar de comparar as duas entradas, o amplificador de erro modificará a resistência do elemento de passagem.

Elemento de aprovação

Elemento de passagem no diagrama de circuito

Fonte:Wikimedia Commons

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

Ao observar o circuito de perto, você notará que os V_o(s) conectar ao V_1(s) . Além disso, o transistor PMOS precisa de uma tensão mínima para regular corretamente e permanece encharcado.

E a menor tensão da fonte de drenagem V_2(s) é responsável por fornecer a menor tensão. Mas é importante notar que o elemento de passagem PMOS não é ideal para dispositivos de tensão extremamente baixa.

Além disso, você pode obter uma baixa tensão de saída, saída e entrada com o transistor NMOS. O benefício do LDO baseado em elemento de passagem (NMOS) é que a saída do regulador reside na fonte do transistor. Além disso, o NMOS entra na configuração do seguidor de origem.

Referência de tensão

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

Capacitor de saída

Capacitor de saída poderoso

Fonte:Wikimedia Commons

No caso de transientes de carga, o capacitor de saída permite que o LDO mova a corrente dentro da carga – e o amplificador de erro é ajustado.

Além disso, o ESR do capacitor desempenha um papel importante, pois limita o fluxo de tensão que se move para a carga do capacitor. Portanto, se você estiver trabalhando com um capacitor de 1µF com faixa ESR (10 a 300m Ohms), poderá usar os seguintes tipos de capacitor:

• Capacitores de tântalo de baixo ESR
• Capacitores de cerâmica
• Capacitores eletrolíticos de polímero

Comentários

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

Recursos do LDO

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

Como funciona a LDO?

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 um FET de canal P ou canal N. Então, ele começa aplicando a tensão de entrada ao elemento de passagem (transistor de canal N).

Então, o transistor trabalha em uma região linear para diminuir a tensão de entrada. Este processo continua até que a tensão de entrada atinja a tensão de saída preferida. Neste ponto, o amplificador de erro reconhece a tensão de saída resultante. Em seguida, o amplificador de erro irá comparar os dois parâmetros (tensão de saída e de referência).

Além disso, o amplificador de erro alterará a porta do FET para o ponto de operação correto. Consequentemente, ajuda a garantir que a saída tenha uma tensão precisa. Portanto, o amplificador de erro ajustará o FET para ter uma tensão de saída constante quando a tensão de entrada mudar.

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

Quando você usa um LDO?

1. Se você tiver uma ampla faixa de tensão de entrada, o LDO é o ideal. No entanto, é essencial considerar obter uma saída de tensão estável da fonte de alimentação. Além disso, você não precisará ajustar o sinal PWM no loop de feedback. E é porque os componentes não precisam de feedback para o elemento de comutação.
2. Você pode usar um LDO quando precisar 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 fornecer uma tensão de referência selecionável pelo usuário. Esta função torna o dispositivo programável.

Normalmente, o LDO pode desviar as altas frequências para o terra. E tudo graças ao capacitor de derivação diagonal à saída. Mas os projetistas de circuitos prestam mais atenção à filtragem da saída de um regulador de vários estágios. Infelizmente, eles não se concentram na filtragem de entrada.

Assim, você pode aumentar seu LDO com filtros EMI. Dessa forma, seu dispositivo será compatível com EMC/CISPR. Curiosamente, esse recurso é crucial para produzir harmônicos de ordem superior com reguladores de comutação.

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

Parâmetros importantes para selecionar um LDO

Aqui estão parâmetros importantes a serem considerados antes de escolher um LDO:

Regulamento de carga

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

Regulamento de carga =∆Vout/ ∆Iout

Corrente de repouso

Quiescente é um estado de dormência. Portanto, uma corrente Quiescente é quando um sistema consome corrente no modo de espera. Além disso, isso só acontece quando uma bateria se conecta ao seu dispositivo.

Resposta transitória

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

Corrente de carga máxima (I_{out max} )

ESR do capacitor de saída

Valor do capacitor de saída (C_out )

Condensador de desvio (C_b )

A equação da resposta transiente é:

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

Regulamento da linha

A regulação de linha é a capacidade de um circuito de reter uma determinada tensão de saída com diferentes tensões de entrada. E você pode expressá-lo como:

Regulamento de linha =∆Vout / ∆Vin

PSRR (Taxa de rejeição da fonte de alimentação)

O PSSR de um LDO é quando o dispositivo pode descartar elementos AC. Um bom exemplo de elementos AC é a tensão de ondulação. Então, você pode expressá-lo 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
• Módulos pós-regulador SMPS e DC/DC
• Comunicação sem fio e com fio
• Aplicativo para automóveis
• Dispositivos alimentados por bateria
• Regulamento VPP/PCMCIA VCC
• Aplicação industrial
• Fornecimento de núcleo digital

Palavras finais

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

Além disso, você pode consultar o diagrama de circuito para entender os principais componentes. Quais são seus pensamentos sobre os reguladores de LDO? Por favor, sinta-se à vontade para entrar em contato conosco para obter mais informações.