Los fundamentos de los LDO y cómo aplicarlos para prolongar la duración de la batería en los portátiles y dispositivos para vestir

Los dispositivos electrónicos modernos son cada vez más pequeños y portátiles. Los relojes inteligentes, los rastreadores de fitness, los sistemas de seguridad y los dispositivos del Internet de las cosas (IoT) funcionan cada vez más con baterías. Por ello, requieren reguladores de potencia de alta eficiencia que expriman cada milivatio de energía de cada carga para que el dispositivo siga funcionando durante más tiempo. También deben funcionar con un aumento mínimo de la temperatura. Los reguladores lineales tradicionales y los reguladores de potencia conmutados no pueden alcanzar fácilmente las eficiencias necesarias para estos dispositivos portátiles. Además, los reguladores de potencia conmutados también sufren el ruido y las tensiones transitorias.

El regulador de tensión de baja caída (LDO), la incorporación más reciente a la línea de reguladores lineales y de conmutación, aprovecha el funcionamiento con caídas de tensión muy bajas en el regulador para mejorar la eficiencia y reducir la disipación térmica. Las variaciones de los LDO se adaptan bien a las aplicaciones de baja a media potencia, para las que pueden venir en paquetes tan pequeños como 3 × 3 x 0.6 milímetros (mm). Existen versiones con tensiones de salida fijas o ajustables, así como algunas versiones con control de encendido y apagado mediante una línea de habilitación de la salida.

Este artículo examina los fundamentos de los reguladores de baja caída y sus características clave en relación con los reguladores de potencia lineales y conmutados tradicionales. A continuación, presenta los dispositivos LDO del mundo real de Diodes Incorporated y muestra cómo se aplican.

¿Qué es un regulador LDO?

La función de un regulador de tensión es mantener una tensión de salida constante en presencia de cambios en la carga y la tensión de la fuente. Los circuitos reguladores de tensión tradicionales utilizan diseños lineales o conmutados. Los reguladores LDO pertenecen a la clase de los reguladores lineales, pero funcionan con tensiones muy bajas entre los terminales de entrada y salida. Como todos los reguladores de tensión lineales, el LDO se basa en un bucle de control de retroalimentación (Figura 1).

Figura 1: Un regulador LDO se basa en un circuito de retroalimentación controlado por tensión. El dispositivo de paso en serie, que puede ser un transistor bipolar PMOS, NMOS o PNP, actúa como una resistencia controlada por tensión. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

El regulador LDO detecta la tensión de salida a través de un divisor de tensión resistivo que escala el nivel de salida. La tensión de salida escalada se aplica a un amplificador de error, donde se compara con una tensión de referencia. El amplificador de error acciona el dispositivo de paso en serie para mantener la tensión deseada en el terminal de salida. La diferencia entre la tensión de entrada y la de salida es la tensión de caída, que aparece a través del dispositivo de paso.

El dispositivo de paso en serie de un LDO actúa como una resistencia de tensión variable. El dispositivo de paso en serie puede ser un semiconductor de óxido metálico de canal P (PMOS), un semiconductor de óxido metálico de canal N (NMOS) o un transistor bipolar PNP. Los dispositivos PMOS y PNP pueden ser conducidos a la saturación, minimizando la tensión de caída. En el caso de un transistor de efecto de campo (FET) PMOS, la tensión de caída es aproximadamente la resistencia del canal en ON (R_DSON) por la corriente de salida. Aunque cada uno de estos dispositivos tiene ventajas y desventajas, el dispositivo PMOS resulta tener el menor coste de implementación. La serie AP7361EA de reguladores LDO de salida positiva de Diodes Incorporated utiliza un dispositivo de paso PMOS y consigue una tensión de caída de unos 360 milivoltios (mV) para una salida de 3,3 voltios a una corriente de carga de 1 amperio (A), y una precisión de tensión de ±1% (Figura 2).

Figura 2: Se muestran los gráficos de la tensión de caída del LDO de 3.3 voltios de la serie AP7361EA en función de la corriente de salida a tres temperaturas diferentes. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

El gráfico de la tensión de caída en función de la corriente de salida muestra una pendiente constante para cada temperatura, lo que indica su naturaleza resistiva. La tensión de caída depende en cierta medida de la temperatura, y el nivel aumenta con el incremento de la temperatura. Tenga en cuenta que la tensión de caída del LDO es mucho menor que la de un regulador de potencia lineal convencional, que tendría una tensión de caída de unos 2 voltios.

Obsérvese que el condensador de salida de la figura 1 se muestra con su resistencia efectiva en serie (ESR) inherente, que afecta a la estabilidad del regulador. El condensador seleccionado debe tener una ESR inferior a 10 ohmios (Ω) para garantizar la estabilidad en toda la temperatura de funcionamiento de -40° a +85 °C. Los tipos de condensadores sugeridos son los condensadores cerámicos multicapa (MLCC), los E-CAP de estado sólido y los condensadores de tantalio con valores superiores a 2.2 microfaradios (mF).

La corriente de reposo, I_Q, representa la corriente extraída de la fuente de alimentación por el LDO sin carga. La corriente de reposo alimenta los circuitos internos del LDO, como el amplificador de error y el divisor de tensión de salida. En los dispositivos alimentados por baterías, la corriente de reposo afecta a la velocidad de descarga de la batería y generalmente se diseña para que sea lo más baja posible. La serie AP7361EA de Diodes Incorporated tiene un I_Q típico de 68 mA.

Los LDO de la serie AP7361EA

La serie AP7361EA incluye tres configuraciones de circuito alternativas, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: La serie AP7361EA ofrece dispositivos de tensión de salida fija o ajustable, con o sin control de habilitación. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

La serie AP7361EA incluye versiones con tensiones de salida fijas o ajustables. Las versiones de tensión fija tienen divisores de tensión internos y ofrecen niveles de tensión de salida de 1.0, 1.2, 1.5, 1.8, 2,5, 2.8 o 3.3 voltios. Los dispositivos de salida ajustable requieren un divisor de tensión externo suministrado por el usuario y tienen un rango de tensión de salida de 0.8 a 5 voltios. La especificación de precisión de la tensión de salida para todas las versiones es de ±1%, junto con un rango de tensión de entrada de 2.2 a 6 voltios.

Las versiones fijas o ajustables pueden incluir una línea de control de habilitación (EN). El AP7361EA se enciende poniendo el pin EN a nivel alto y se apaga poniéndolo a nivel bajo. Si no se utiliza esta característica, el pin EN debe estar ligado al pin de entrada (IN) para mantener la salida del regulador encendida en todo momento. El tiempo de respuesta de la línea de habilitación es de aproximadamente 200 microsegundos (ms) para el encendido y unos 50 ms para el apagado.

La otra diferencia significativa entre los dispositivos AP7361EA es el paquete físico. Está disponible en los encapsulados U-DFN3030-8 (Tipo E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) y SO-8EP.

En la tabla 1 se comparan algunos ejemplos de los productos AP7361EA, incluyendo las versiones fijas (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) y ajustables (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13).

Tabla 1: Una muestra de las configuraciones de tensión fija y ajustable del AP7361EA. (Fuente de la tabla: Art Pini, con datos de Diodes Inc.)

Todos los dispositivos de la serie AP7361EA están protegidos contra cortocircuitos y sobrecorrientes. La protección contra cortocircuitos y sobrecorriente cuenta con un límite de corriente de retroceso de 400 miliamperios (mA) si la corriente de salida supera el límite de corriente, que suele ser de 1.5 A. El apagado térmico se produce cuando la temperatura de la unión del dispositivo aumenta hasta los 150 °C nominales, y el funcionamiento se restablece cuando desciende por debajo de unos 130 °C.

Regulación de la carga y la línea

La regulación de carga describe la capacidad del LDO para mantener su tensión de salida a pesar de los cambios en la corriente de carga de salida. Esto es importante en los dispositivos portátiles alimentados por baterías, donde los controladores suelen apagar los subsistemas cuando no están en uso. La serie LDO AP7361EA tiene una regulación de carga máxima especificada del 1.5% para niveles de salida de 1 a 1.2 voltios y del 1% para salidas de 1.2 a 3.3 voltios (Figura 4).

Figura 4: Un ejemplo de gráfico de regulación de carga para una salida de 3.3 voltios. La variación máxima de la salida es de aproximadamente 0.15% o unos 5.0 mV para un cambio de carga de 100 a 500 mA para la salida nominal de 3.3 voltios. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

La regulación de la carga se calcula como la relación entre la variación máxima de la tensión de salida y la tensión nominal de salida. En el ejemplo anterior, la variación máxima de salida es de unos 5.0 mV para un cambio de carga de 100 mA a 500 mA. Por lo tanto, la regulación de la carga es de 0.005/3.3 o 0.15%.

La variación de la línea especifica la variación de la salida para un cambio en la tensión de la fuente por cada voltio de salida. La serie AP7361EA tiene una especificación de regulación de línea máxima del 0.1% por voltio (%/V) a temperatura ambiente y del 0.2%/V en todo el rango de temperatura. Para una salida de 3.3 voltios, un cambio en el nivel de entrada de 1 voltio debería tener un cambio en el nivel de salida de menos del 0.33% de la salida nominal de 3.3 voltios (Figura 5).

Figura 5: Se muestra un gráfico de regulación de línea para un AP7361EA que funciona con una salida de 3.3 voltios. Un cambio en la tensión de entrada de 4.3 a 5.3 voltios produce un cambio del 0.05% en la tensión de salida. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

La figura 5 muestra la característica de regulación de línea del LDO. Un cambio en la tensión de la fuente, de 4.3 a 5.3 voltios, produce un cambio del 0.05% en el nivel de salida, o sea, unos 1.65 mV.

Obsérvese que, tanto en las condiciones de variación de la línea como de la carga, la salida muestra una rápida recuperación de los eventos transitorios. Esto es importante a la hora de reiniciar procesos en equipos portátiles, donde el bus de alimentación debe estar en funcionamiento antes de poder reiniciar los circuitos silenciados.

Relación de rechazo de la fuente de alimentación

Los LDO, al ser circuitos lineales, producen mucho menos ruido que las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) o los convertidores de potencia. En muchas aplicaciones, se utiliza un LDO localmente en la placa de circuito, pero la fuente de alimentación es un SMPS. Debido al sistema de control de un LDO, éste tiende a suprimir el ruido y el rizado de la fuente de alimentación de entrada. La medida de esta supresión de ruido es la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR) (Figura 6).

Figura 6: La PSRR se calcula a partir de las señales de corriente alterna medidas en la entrada y la salida del LDO. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

La PSRR se calcula a partir de la relación entre las componentes de CA de la entrada y las de la salida, como se muestra en la figura 6. La PSRR de la serie AP7361EA depende de la frecuencia, disminuyendo con el aumento de la misma. La PSRR es de 75 decibelios (dB) a 1 kilohercio (kHz) y baja a 55 dB a una frecuencia de 10 kHz. 75 dB representan una atenuación de más de 5600:1. Una señal de ondulación o ruido de 10 mV a 1 kHz se atenuaría a unos 1.7 microvoltios (µV).

Ejemplo de aplicación

En la figura 7 se muestra una aplicación típica de un LDO de salida ajustable. Incluye una habilitación de salida similar a la del AP7361EA-SPR-13, así como un divisor de tensión de salida externo.

Figura 7: Ejemplo de uso de un LDO de salida ajustable que requiere un divisor de tensión de salida externo. La ecuación (inferior derecha) muestra la relación entre las resistencias R1 y R2 para la tensión de salida deseada y la tensión de referencia interna. (Fuente de la imagen: Diodes Incorporated)

Los valores de las resistencias del divisor pueden calcularse utilizando las ecuaciones que se muestran en la parte inferior derecha de la Figura 7. El valor de R2 debe mantenerse en menos de 80 kilohmios (kΩ) para asegurar la estabilidad de la referencia de tensión interna. Para una salida de 2.4 voltios con una tensión de referencia de 0.8 voltios y R2 igual a 61.9 kΩ, el valor de R1 resulta ser de 123.8 kΩ. Una resistencia de 124 kΩ,1% sería adecuada.

Conclusión:

Los LDO son reguladores de tensión lineales que funcionan con bajas diferencias de tensión entre la entrada y la salida, y con bajas corrientes de reposo. Ofrecen una alta eficiencia energética con un bajo nivel de ruido y un tamaño reducido. Son especialmente adecuados para los dispositivos portátiles que funcionan con baterías, ya que prolongan su duración y mejoran su fiabilidad.