Comprender las ventajas y desventajas de los reguladores lineales

Por Bill Schweber

Colaboración de Digi-Key's North American Editors

Los diseñadores son muy conscientes de la eficiencia de los convertidores CC/CC de conmutación, sin embargo los reguladores lineales siguen siendo la mejor opción para muchas aplicaciones. Entender los motivos de dicha opción ayudará a asegurar que los diseñadores hagan la elección adecuada y puedan implementarla correctamente.

Este artículo compara los reguladores lineales y de conmutación y muestra cómo los factores tales como la simplicidad, el bajo costo y la estabilidad también se deben tener en cuenta, junto con la eficiencia.

Reguladores de conmutación: eficientes pero complejos

Los reguladores de conmutación son altamente eficientes y capaces de aumentar (boost), reducir (buck), e invertir las tensiones con facilidad. Los chips modulares contemporáneos son compactos, fiables y están disponibles a través de múltiples proveedores. A pesar de sus muchas ventajas, los reguladores de conmutación también tienen algunos puntos débiles (Tabla 1).

Lineal Conmutación
Función Solo reductor (buck) de modo que la tensión de entrada debe ser mayor que el voltaje de salida Aumento (boost), reducción (buck), inversión
Eficiencia Baja a media, pero la duración real de la batería depende de la corriente de carga y de la tensión de la batería a través del tiempo. La eficiencia es alta si la diferencia entre las tensiones de entrada y salida es pequeña Alta, salvo en muy bajas corrientes de carga (μA), donde el modo de conmutación de corriente en reposo (IQ) es normalmente superior
Calor residual Alta, si la carga media y/o diferencia de tensión de entrada y salida son altas Baja, ya que los componentes usualmente se enfrían para niveles de potencia inferiores a 10 W
Complejidad Baja, usualmente requiere sólo el regulador y capacitores de bypass de bajo valor Media a alta, normalmente requieren inductor, diodo, tapas de filtro además del CI; para circuitos de alta potencia se requieren FET externos
Tamaño Pequeño a mediano en los diseños portátiles, pero puede ser mayor si se requiere disipación térmica. Superior a lineal en baja potencia, pero menor en niveles de potencia para los cuales el lineal requiere un disipador de calor
Costo total Bajo Medio a alto, principalmente debido a los componentes externos
Ondulación/Ruido Baja; sin ondulación, bajo nivel de ruido, mejor rechazo de ruido Media a alta, debido a la ondulación a velocidad de conmutación

Tabla 1: Comparación de las características de los reguladores lineales y de conmutación. (Fuente de Tabla: Maxim Integrated)

En primer lugar, son chips complejos y, por consiguiente, pueden requerir un esfuerzo adicional de diseño para lograr que un producto nuevo funcione correctamente. Segundo, el nivel de integración de reguladores de conmutación contemporáneos puede ser costoso, y también aumenta el tamaño del chip. Por último, toda esa conmutación de alta frecuencia tiende a ser ruidosa.

La ondulación de tensión y corriente en los filtros de entrada y salida generada por el funcionamiento de alta frecuencia puede ser un problema importante para un diseño que utiliza un regulador de conmutación. Aunque estos problemas pueden ser abordados, toma tiempo y habilidades de diseño para hacerlo.

Los reguladores lineales abordan todas las deficiencias clave del tipo de conmutación. Son simples, de bajo costo, requieren menos componentes externos, y no hay conmutación para generar exceso de ruido. En la aplicación adecuada, estos modestos dispositivos pueden ser una buena opción, tal como se muestra en la Tabla 1.

Operación de reducción únicamente

La frase clave en el último párrafo es "la aplicación adecuada", porque los reguladores lineales acarrean algunos compromisos, lo cual significa que quizás no funcionen, o pueden resultar una elección adecuada en muchos diseños.

Por ejemplo, los reguladores lineales sólo puede reducir ("buck") la tensión de entrada. Esa limitación podría requerir aumentar el voltaje de suministro CC básico agregando baterías adicionales para asegurarse de que está lo suficientemente alta como para superar la tensión de entrada requerida por el LDO. Eso podría significar el uso de cinco celdas con una tensión nominal de 1 a 1.5 voltios cada una de ellas para garantizar una salida de 5 voltios fiable para todo el ciclo de descarga de las baterías. El costo de agregar más celdas puede pronto superar a un regulador de conmutación más caro que puede ejecutarse desde menos baterías. Además, las baterías adicionales ocupan un espacio valioso.

De hecho, la incapacidad de un regulador lineal de aumentar la tensión es un problema cuando un componente de un producto exige una tensión mayor que todos los demás. De igual modo, cuando algunos circuitos analógicos requieren un voltaje negativo, el regulador lineal no puede utilizarse debido a su incapacidad para invertir la alimentación positiva.

Un regulador lineal no es tan eficiente como un dispositivo de conmutación, por lo que las baterías no duran mucho tiempo. Peor aún, si las baterías todavía tienen algo de carga, pero su producción combinada está por debajo de la tensión mínima exigida por el silicio, no habrá manera de extraer la carga restante.

Por el contrario, un dispositivo de conmutación puede cambiar a modo elevador (boost) para drenar la energía restante de la batería.

Denominados reguladores reductores-elevadores, estos pueden ser muy útiles cuando la fuente CC de las baterías es inicialmente mayor que el voltaje de carril requerido, pero luego se reduce por debajo del mismo a medida que se descarga la batería. Un dispositivo reductor-elevador puede lograr perfectamente la transición de un modo a otro, resultando en una rampa de salida al valor deseado incluso cuando la salida de la batería disminuye por debajo de ese riel.

En aplicaciones de muy bajo consumo, una reducción en la duración de la batería puede ser aceptable para ahorrar en el gasto de un regulador de conmutación. Por ejemplo, no es probable que un consumidor se sienta satisfecho si la duración de la batería para un producto de alta demanda de energía cambia de 12 horas a 8 horas debido al uso de un regulador lineal, pero puede estar bien preparado para aceptar una reducción en la vida útil de la batería de 6 a 5 meses para un producto de baja demanda de energía a cambio de un precio de compra más barato.

Región de alta eficiencia de los reguladores lineales

Los reguladores lineales pueden no tener la eficacia general de un convertidor o regulador de conmutación, pero tienen la ventaja de que el regulador se vuelve más eficiente a medida que la diferencia entre la entrada y la tensión de salida disminuyen. Cuando la tensión de entrada está justo por encima del valor de salida, el regulador lineal puede acercarse a un 95% o 99% de eficiencia.

Esta característica puede significar que la eficiencia total del regulador lineal en una aplicación particular puede ser mejor que lo que puede sugerir una comparación directa y simple. Es importante considerar todo el perfil de descarga de la batería durante el funcionamiento del producto y establecer la eficacia promedio durante ese tiempo para obtener un valor preciso (Figura 1).

Figura 1: La eficiencia en comparación con el voltaje de la batería de un regulador lineal en un sistema con tres pilas alcalinas de tamaño AA (100 mW de potencia constante de carga); observe cómo aumenta la eficiencia del regulador hacia la tensión de caída. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

A pesar de que la eficiencia con la batería totalmente cargada es de alrededor de 73%, el promedio de la eficiencia en todo el ciclo de descarga es de 85%. Ese es el número que debe compararse con la cifra equivalente para un regulador de conmutación, y cuya eficiencia no aumenta a medida que la tensión de la batería cae.

Nuevamente, refiriéndose a la figura 1, podemos ver que después de 20 horas, mientras que las baterías aún tienen algo de carga, la diferencia de voltajes de entrada y salida es demasiado pequeña para que el dispositivo pueda regular y entonces deja de funcionar. En total, la cantidad acumulada de energía de la batería que se ha utilizado para alimentar el producto es:

Eficiencia de regulación promedio multiplicada por el porcentaje de energía de la batería utilizado antes del fallo=

85% × 80% = 68%.

La selección de un CI con una menor capacidad de tensión de caída garantiza mayor uso de la carga de la batería, y por ende, una mejora de la eficiencia.

La "caída" se define como la diferencia entre la tensión de entrada y de salida justo antes de terminar la regulación. Para el ejemplo que se muestra en la Figura 1, si el regulador lineal es sustituido por un dispositivo con una mejor tensión de caída (de 3,4 a 3,0 voltios), se pueden extraer hasta 2.5 horas adicionales de las baterías y se mejora el uso de energía:

85% x 90% = 76,5%

Controle las hojas de datos de los fabricantes con mucho cuidado porque algunos de los dispositivos denominados de "caída baja" (LDO), pueden presentar diferencias de voltaje de entrada/salida que son bastante sognificativas. Esto puede significar que las luces se apagan mientras las baterías mantienen todavía una gran cantidad de carga. Tenga en cuenta que la tensión de caída variará en función de la corriente de carga.

Selección e implementación de LDO

Los ingenieros de diseño que buscan seleccionar un LDO y, por lo tanto, aprovechar las ventajas de un regulador lineal para ciertas aplicaciones pueden verse fácilmente abrumados por las numerosas opciones disponibles. A pesar de su aparente sencillez, la hoja de datos de un típico LDO suele tener veinte, treinta e incluso más gráficos de rendimiento además de la tabla de especificaciones básicas. Estos gráficos muestran el comportamiento estático y dinámico, así como las capacidades en diversos escenarios y condiciones de funcionamiento.

Entre los dispositivos LDO para aplicaciones portátiles, hay docenas de dispositivos para adaptarse a una amplia gama de tensiones de entrada y salida. Algunos tienen tensión de salida fija, algunos tienen salidas ajustables por el usuario, y algunos pueden ofrecer una rampa de salida negativa. Algunos LDO son relativamente de propósito general y tienen fuentes alternativas, mientras que otros están optimizados en uno o más de sus parámetros y, por lo tanto, están dirigidos a determinados nichos de aplicación. Algunos ejemplos ilustran la variedad de LDO disponibles.

Automotrices: Maxim Integrated ofrece el MAX16910 que es un LDO de corriente de reposo ultrabaja, de 200 mA para aplicaciones automotrices. Además de su funcionamiento básico, está calificado para exigencias extremadamente estrictas del entorno automotriz. Su entrada es tolerante a transitorios a +45 voltios, puede soportar y operar bajo condiciones automotrices de "descarga de carga" y puede funcionar (y se especifica) sobre rangos de temperatura de -40°C a +125°C (Figura 2). Opera desde una entrada de +3,5 V a +30 voltios, pero sólo consume 20 microamperios (µA) de corriente estática sin carga, y sólo 1,6 μA cuando está en modo de apagado controlado por el usuario.

Figura 2: La serie MAX16910 de Maxim Integrated es notable porque cumple con los estrictos requisitos automotrices para garantizar funcionalidad completamente especificada junto con funcionamiento de -40°C a +125°C. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Voltaje negativo: Diseñar para un voltaje negativo, no es simplemente una cuestión de utilizar el convertidor conectado "al revés", ya que se presentarán temas de referencia de tierra y otros problemas de topología. En cambio, se requiere un LDO negativo específico. La serie ADP7183 de Analog Devices ofrece una entrada/salida negativa y ruido ultrabajo (Figura 3).

Estos CI operan desde una entrada de -2,0 voltios a 5,5 voltios, y entregan una corriente de salida máxima de -300 miliamperios (mA). Ofrecen una variedad de 15 opciones de tensión de salida fija desde -0,5 V a -4,5 voltios, o con una salida ajustable desde -0,5 V A -VIN + 0,5 voltios. Además, el ruido de salida es de sólo 4 μVRMS de 100 Hz a 100 kHz, y la densidad espectral de ruido es de 20 nV/√Hz de 10 kHz a 1 MHz. Por último, la típica relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) es de 75 dB a 10 kHz, 62 dB a 100 kHz; y de 40 dB a 1 MHz.

Figura 3: La serie ADP7183 de Analog Devices es para aplicaciones de fuente negativa/salida negativa, que realmente ocurren con bastante frecuencia; estos dispositivos pueden configurarse para salida fija (aquí, -3,3 voltios en el esquema superior) o una salida ajustable por el usuario (en este caso, ajuste a -2,5 voltios, esquema inferior). (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Salida dual fija/variable: Para aplicaciones que necesitan más que un solo LDO, que es una situación bastante común, Texas Instruments ofrece el controlador lineal dual serieLFC789D25 con una salida fija a 2,5 voltios y otro de salida ajustable. Las salidas del controlador están diseñadas para accionar MOSFET externos de canal N, por lo que las corrientes pueden ser relativamente altas, de hasta 3 A (típico). Este CI está pensado para aplicaciones tales como voltaje de memoria DDR1 (VDDQ) y búfer VREF (Figura 4). Su sistema interno de referencia proporciona rendimiento de temperatura compensada con una tolerancia del 2%, lo cual es adecuado para la situación.

Figura 4: Texas Instruments ofrece el controlador lineal dual LFC789D25 con una salida fija y una salida ajustable, que satisface las necesidades de importantes nichos de aplicaciones, como DDR1 y matrices de memoria similares. (Fuente de la imagen: Texas Instruments).

Corriente estática de casi cero: Para aplicaciones alimentadas por batería donde la utilización acotada de energía disponible es fundamental para poder cumplir los objetivos de tiempo de ejecución, la familia Richtek RT9069 ofrece una corriente de reposo ultrabaja (Iq) de sólo 2 µA. Su pin de activación puede poner estos CI en un estado de reposo profundo donde la corriente estática es cero.

Estos LDO operan sobre un amplio rango de entrada de 3,5 voltios a 36 voltios, proporcionando hasta 200 mA. Están disponibles con tensiones de salida fija de 2.5, 3.3, 5, 9 y 12 voltios. Son estables a lo largo de toda la gama de tensión de entrada y rango de corriente de salida con un solo capacitor de salida de cerámica, además del capacitor de filtro de entrada estándar que requieren la mayoría de los LDO (Figura 5).

Figura 5: La serie Richtek RT9069 está diseñada para maximizar el tiempo de ejecución en aplicaciones accionadas a batería considerablemente restringidas, con corriente estática de sólo 2 µA, y corriente estática cero cuando se dirige a su estado desactivado. (Fuente de la imagen: Richtek Technology Corp.)

Saca el máximo partido a un LDO

Mientras los LDO son bastante fáciles de utilizar, se deben respetar algunas pautas básicas a fin de materializar sus beneficios y evitar posibles daños. Estas incluyen las cuestiones de diseño práctico como las preocupaciones térmicas y consideraciones de diseño de embalaje, y la captación de ruido.

Para problemas térmicos, es esencial estudiar la tabla y el gráfico de hoja de datos para el funcionamiento seguro y la disminución de potencia (Figura 6).

Figura 6: Para un LDO, el área de funcionamiento seguro tiene una relación inversa entre la corriente de salida máxima permitida y la magnitud de la tensión de entrada-salida diferencial; además, el tipo de paquete juega un gran papel, tal como lo muestra la diferencia entre el paquete estándar SO-8 y los paquetes µMAX de 8 pines patentados. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

La reducción de potencia es una función de muchas variables, incluyendo el paquete LDO. Un paquete SOT-23 de 5 pines normalmente está clasificado para más de 500 mW de disipación, mientras que algunos paquetes de almohadillas expuestas están dimensionados para casi cuatro veces ese valor. Si el LDO está situado en un entorno óptimo con suficiente flujo de aire y/o una ruta termal de baja impedancia, definir la disminución de rendimiento debido al autocalentamiento será muy sencillo utilizando los datos del proveedor.

Conclusión

Los reguladores lineales tienen la ventaja de salida muy "limpia" con poco ruido introducido en su salida de CC, pero pueden ser mucho menos eficientes que los convertidores de conmutación y no son capaces de incrementar la tensión de entrada como sus homólogos conmutados.

No obstante, existen aplicaciones donde se prefiere el regulador lineal y es la "mejor" opción de topología de convertidor CC/CC en términos de simplicidad, costo y, bajo ciertas condiciones de funcionamiento, de eficiencia.

Referencias

  1. "Reguladores lineales en aplicaciones portátiles", Nota de aplicación 751, Maxim Integrated
  2. "Comprender la eficacia de un LDO", Texas Instruments
Digi-Key Electronics logo

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.