Velký průvodce výběrem regulátorů LDO

Teoretický rozbor i praktické návrhy pro volbu a vhodné použití moderních regulátorů typu LDO v nových aplikacích.

Regulátory LDO naleznete téměř na každé desce s plošnými spoji. Při výběru integrovaných obvodů pro novou aplikaci patří výběr regulátorů k té jednodušší činnosti, určitě minimálně v porovnání s množstvím portů a integrovaných funkcí při výběru mikroprocesoru! Výsledkem je však možnost přehlédnutí některé z moderních funkcí regulátorů LDO či dokonce jeho nepříliš ideální použití.
Jelikož jsou regulátory typu LDO neustále vyvíjeny a rozšiřovány o stále větší počet funkcí, rozšiřuje se tak nejen záběr jejich použití, ale zvyšuje se tím i složitost jejich výběru.

V tomto článku tak budeme hovořit o výhodách a nevýhodách těchto podružných funkcí. Zaměříme se na porovnání chování regulátorů LDO s tranzistory FET a dále se soustředíme na současný vývoj a ukázku výhod pro návrháře.

Typ výkonového prvku a činnost regulátoru LDO:
Starší regulátory LDO používaly jako regulační prvek bipolární plošný tranzistor, zatímco novější regulátory LDO využívají již prakticky pouze tranzistory typu MOSFET, kterým budeme nadále říkat jen “FET.” Primární výhodou regulátorů LDO s tranzistory FET je možnost dosažení nižšího úbytku napětí a pro signály o nízkém kmitočtu i možnost řízení zanedbatelným proudem. Velice často bývají používány tranzistory FET typu P pro snadnost jejich řízení – pro řízení může být použito napětí nižší než vstupní. V poslední době jsou navíc pro některé typy regulátorů LDO používány tranzistory FET typu N a to především pro jejich nižší vstupní impedanci, menší rozměr čipu, nižší odpor Rds(on) a stabilitu řídící smyčky i bez nutnosti výstupního kondenzátoru. Pro své řízení požadují Vgs > Vout + Vgs(th), kde Vgs(th) je jejich prahové napětí.

Obr. 1: Charakteristiky tranzistoru MOSFET typu N

Na obr. 1 je znázorněna oblast, která se nazývá lineární (nebo také odporová), v důsledku toho, že pro dané Vgs je proud kolektoru Id úměrný napětí mezi kolektorem a emitorem Vds. Hranicí mezi odporovou a aktivní oblastí je napětí Vds = Vgs - Vgs(th). Tranzistor FET se chová jako odpor, kde Vds = Id*Rds(on). Sklony křivek jsou úměrné napájení hradla Vgs - Vgs(th). Pro spínaný DC/DC konvertor požadujeme tranzistor FET, který má při plném otevření malý odpor Rds(on). To si však zároveň vynucuje potřebu ovládání tranzistoru FET co největším dostupným řídícím signálem Vgs5 podle křivky označené (1). Regulátor LDO může pracovat v odporové oblasti, k čemuž dochází pro část křivky označené (3) a pro všechny křivky označené (4). V této oblasti je to odpor řízený napětím na hradle.

Regulátor LDO může pracovat také v oblasti nazývané saturační (neboli aktivní). Proud kolektoru je v tom případě řízen napětím Vgs a je přibližně úměrný hodnotě (Vgs - Vgs(th))2. Tato pracovní oblast je na obr. 1 vyznačena křivkou s označením (2). Regulátor LDO pracuje tak, že snímá napětí Vout, které porovnává s vnitřní referencí a vznikající chybový signál používá pro změnu napětí Vgs, které řídí kolektorový proud. V této oblasti se chová jako napěťově řízený proudový zdroj. Mějte však na paměti, že tranzistor FET nemůže využít celý rozsah napětí Vds a proudu Id znázorněných na obr. 1 a to především v důsledku teplotních omezení použitého pouzdra.

Úbytek napětí se na regulátoru LDO objeví při snížení napětí Vds (tzn. při poklesu rozdílu Vin - Vout), a tím se pracovní oblast posunuje podél osy x na obr. 1 až ke křivce označené (3) a při dalším poklesu až ke křivce označené (4). Pro obě křivky (3) a (4) při zvětšujícím se proudu Id zvětšuje regulátor LDO napětí na hradle od Vgs1 do Vgs5, přičemž každá křivka Vgs má strmější sklon než ta předchozí, což odpovídá menšímu odporu. Pro maximální napětí na hradle Vgs5 dosahuje regulátor LDO při určitém proudu saturace a je-li proud dále zvětšován, funkce sleduje průběh napětí Vgs5, což je odpor. Jestliže změníme hodnotu napětí Vds z vyšší na nižší (tzn. přesun oblasti provozu z (3) -> (4)), potom je bodu úbytku napětí, daného průsečíkem křivky (4) a křivky Vgs5, dosaženo při proudu nižším, než je křivka (3). Úbytek napětí na regulátoru LDO je tedy závislý na proudu Id, obr. 2.

Obr. 2: Úbytek napětí vůči proudu TPS71701

Typ výstupního kondenzátoru:
Během bouřlivých dnů boomu telekomunikací se projevovaly nedostatky zásob tantalových kondenzátorů, což vedlo k jejich výraznému růstu cen a přetahování se na trhu. V dnešní době byly tantalové kondenzátory nahrazeny keramickými v důsledku jejich nižší ceny, nižší impedance a jejich značné robustnosti. Nové návrhy často požadují, aby regulátor LDO podporoval keramický výstupní kondenzátor nebo výstup bez kondenzátoru. Pro nové aplikace tedy hledejte regulátory LDO, které jsou stabilní s keramickým kondenzátorem, nebo i bez výstupního kondenzátoru, případně s jakýmkoli klasickým výstupním kondenzátorem. Starší regulátory LDO vyžadovaly výstupní kondenzátor s ekvivalentním sériovým odporem (ESR) v určitém rozsahu, aby bylo dosaženo stability jejich řídící smyčky. Provedení bez výstupního kondenzátoru nebo s libovolným kondenzátorem – jako jsou řady TPS73601 nebo TPS74x01 (kde x je 2, 3, 4, 7, 8, 9) – používají důmyslnější a propracovanější vnitřní schémata řízení, která zajišťují stabilitu s jakýmkoli typem kondenzátoru nebo i bez výstupního kondenzátoru.

Nízký klidový proud:
Klidový proud je měřen jako proud spotřebovaný regulátorem LDO při jeho otevření a bez připojené zátěže na výstupu.
Bývá často nejvyšší prioritou pro přenosné a bateriově napájené systémy. Při návrhu je však důležité vzít v úvahu, zda bateriově napájená aplikace je většinu provozní doby zařízení vypnuta, nebo je v aktivním režimu a podle toho vypočítat klidový proud v obou případech a zjistit, zda některý z nich převažuje. Velmi nízkého klidového proudu dosáhneme za cenu špatných parametrů potlačení změny napájecího napětí (PSRR), takže můžeme-li si vybrat regulátor LDO s vyšším aktivním klidovým proudem, můžeme dosáhnout výrazného zlepšení PSRR. Je-li proud zátěže v aktivním stavu v řádu stovek mA, pak dosažení velmi malého klidového proudu neprodlouží pracovní dobu žádným podstatným způsobem. Naopak, aktivní proud o velikosti 1 mA znamená, že mohou přicházet v úvahu regulátory LDO jako je typ TPS78225 (1 µA aktivní / 18 nA klidový) nebo TPS71501 (3,2 µA aktivní). V současné době nabízený regulátor LDO s nejnižším proudem je typ TPS78001 s aktivním proudem pouhých 0,5 µA.

Zdroje zvlnění a šumu na výstupu regulátoru LDO:
1. Potlačení změny napájecího napětí (power supply rejection ratio (PSRR)) je klíčovým parametrem pro aplikace s požadavkem nízkého šumu/zvlnění na výstupu, při kterých se na vstupu vyskytuje libovolné rušení. Jeho velikost je 20log10 poměru výstupního ku vstupnímu šumovému/rušivému napětí, a je vyjádřena v dB. Kmitočtové složky, které se vyskytují ve vstupním šumu/zvlnění jsou zesilovány podle závislosti PSRR na kmitočtové odezvě regulátoru LDO, znázorněné např. na obr. 3a a 3b. Velmi vysoké kmitočty na vstupu potlačuje regulátor LDO nepatrně, ty mohou být potlačeny nízkoimpedančními kondenzátory a odporovými perličkovými induktory na vstupu a na výstupu.

2. Výstupní šum v důsledku vnitřně vznikajícího šumu regulátoru LDO je způsoben zdrojem referenčního napětí, odvozeného z šířky zakázaného pásma, zesilovačem a sítí odporové zpětné vazby a je úměrný výstupnímu napětí. Tato úměrnost je vysvětlena v datasheetu obvodu TPS73601. Někdy bývá implementována možnost odfiltrování šumu referenčního zdroje dolní propustí tak, že je referenční napětí vyvedeno ven na vývod přes vnitřní odpor, který pak může být přemostěn kondenzátorem, jak je tomu u verzí TPS717 s pevným výstupním napětím.

3. Další zdroj výstupního šumu/zvlnění je dán povahou samotné zátěže. Jestliže se mění zátěž nebo jestliže vytváří šum na své vstupní straně, pak jsou odebírány přechodové proudy. Proud o vyšším kmitočtu může být dodán výstupním kondenzátorem a proud o nízkém kmitočtu je propouštěn regulátorem. Zpětná vazba zaznamená úbytek výstupního napětí a způsobuje, že výkonový tranzistor FET je buzen silněji. Řídící smyčka zisk-šíře pásma, typ tranzistoru FET a impedance kondenzátoru určují rychlost odezvy a výsledkem je výstupní šum/zvlnění závislé na zátěži.

PSRR regulátoru LDO klesá s rostoucím kmitočtem rušení, protože zisk vnitřní řídící smyčky také klesá.
Regulátory LDO kupříkladu typ TPS71701 (50 µA klidového proudu) mají vynikající PSRR v závislosti na kmitočtu, jak je uvedeno na obr. 3a. Regulátor LDO bývá často používán pro následnou regulaci výstupu spínaného DC/DC konvertoru. Takový převodník může být snadno spínán i při 1 MHz, a proto se výstupní šum/ zvlnění vyskytuje na tomto a vyšších kmitočtech. To se jeví jako porucha na vstupu regulátoru LDO a podle obr. 3a bude regulátor TPS71701 potlačovat poruchy o kmitočtu 1 MHz o 45 dB. Např. zvlnění 50 mV o kmitočtu 1 MHz ze spínaného převodníku je potlačeno na 280 µV. Potřebujete-li “klidnou” napájecí sběrnici pro analogový obvod, pak je použití regulátoru LDO s vysokým PSRR a nízkým vnitřním šumem dobrou volbou. V takové aplikaci je důležité vypočítat, jak velký šum se objeví na výstupu regulátoru LDO v důsledku spínacího šumu na jeho vstupu a porovnat jej s vnitřním šumem vytvořeným regulátorem LDO. I když je regulátor LDO napájen přímo z baterie, mohou zde být také souběžně napájené DC/DC převodníky, způsobující výskyt šumu i na vstupu regulátoru LDO, dokonce i v případě, kdy regulátor LDO není napájen spínaným DC/DC konvertorem přímo.
Regulátor LDO s mimořádně malým klidovým proudem jako je typ TPS78001 nemá příliš vysoký PSRR, a je tedy pouze otázkou volby. Řídící smyčka regulátoru LDO s vysokým PSRR vyžaduje zesilovač s vyšším ziskem a větší šířkou pásma, což vyžaduje i větší klidový proud.

Datasheety regulátoru LDO často uvádějí PSRR pro rozdíl vstupního a výstupního napětí Vds pro hodnotu 1 V. To není náhodou, protože jak se tento rozdíl zmenšuje vůči úbytku napětí, tranzistor FET vstupuje do odporové oblasti a jeho zisk klesá, čímž je snižován zisk smyčky korigující chybu. Zisk tranzistoru FET je dán jeho strmostí gm, která je definována jako ?Id / ?Vgs pro dané napětí Vds. To je graficky znázorněno na obr. 1 jako vzdálenost mezi jednotlivými křivkami Vgs. V aktivní oblasti jsou vzdálenosti křivek poměrně velké, což znamená velký zisk, zatímco v odporové oblasti se vzdálenosti zmenšují i zároveň se snižujícím se Vds pracovního bodu.

Jinak to lze chápat také tak, že jestliže je pracovní bod regulátoru LDO v bodě P na křivce (2) na obr. 1 a Vds se mění v důsledku poruch na vstupu, pak v důsledku toho, že je tranzistor FET v aktivní oblasti a křivka je tedy téměř plochá, je vidět, že je zapotřebí pouze malé změny proudu (Id) pro korekci prováděnou regulátorem LDO. (Sklon těchto křivek se zvětšuje s rostoucím proudem Id.)
Naopak, je-li pracovní bod v bodě Q na křivce (3) a dojde ke změně Vds, pak se tato změna promítne do poměrně větší změny Id (je větší sklon), kterou je třeba korigovat řídící smyčkou. Podobně je tomu pro bod na křivce (4). Sklony souboru křivek Vgs jsou v odporové oblasti podstatně větší pro větší Id, proto je také PSRR lepší při nižších zátěžových proudech Id.

V grafech datasheetu regulátorů LDO jako je typ TPS71701 je uváděno PSRR pro rozdíl 1 V, 0,5 V a 0,25 V, aby tak bylo umožněno srovnání, viz obr. 3a a 3b.

Obr. 3a – PSRR pro regulátor TPS71701 při Vin – Vout = 1 V a obr. 3b pro 0,25 V

Ve snaze vzít v úvahu šum/zvlnění generované zátěží používají regulátory LDO, jako je typ TPS73601, pro průchozí tranzistor raději typ NMOS než PMOS. Výhodou je, že je použit jako zesilovač se společným kolektorem, který má z principu nižší výstupní impedanci. Jestliže výstupní napětí poklesne v důsledku skokové změny zátěže, pak napětí Vgs vzrůstá, a tím otvírá tranzistor FET. Dochází k automatické kompenzaci, která podporuje činnost smyčky vnitřní zpětné vazby. Možnou komplikací je to, že tranzistor NMOS vyžaduje napětí pro řízení hradla o velikosti Vgs > Vout + Vgs(th), které je v tomto regulátoru LDO generováno vnitřním „čerpadlem“ náboje.

DVS – Dynamické přizpůsobení napětí:
Řada regulátorů LDO typu TPS780 a TPS781 s mimořádně nízkým klidovým proudem může průběžně přepínat mezi dvěma úrovněmi napětí Vout. Výhoda tohoto řešení se ukáže při napájení procesoru s mimořádně nízkou spotřebou jako je MSP430F z baterie a tam, kde životnost baterie má vysokou prioritu.
Uvažujme případ, kdy procesor je v činnosti, jak je ukázáno na obr. 4. Je například požadováno, aby procesor za určitých podmínek pracoval při plné rychlosti 16 MHz, kdy potřebuje napájení 3,3 V, ale většinu provozní doby může pracovat při 8 MHz. Možnost snížit napájecí napětí při práci na kmitočtu 8 MHz z 3,3 V na 2,2 V vede k dalšímu zmenšení proudu o 50%, tj. ze 4 mA na 2 mA.
Je nutno zvážit, jakou dobu bude procesor v klidovém režimu vůči době, kdy je aktivní. Klidový režim MSP430 může mít spotřebu zlomek µA a k tomu bude klidový proud regulátoru LDO o velikosti 0,5 µA. Chceme-li vypočítat úsporu proudu, musíme vypočítat průměrnou spotřebu v klidovém režimu a průměrnou spotřebu v aktivním režimu tak, že zjistíme průměrnou dobu, po kterou systém pracuje v jednotlivých režimech.

Obr. 4: Aktivní proud MSP430F vůči hodinovému kmitočtu

Pevné výstupní napětí programovatelné pomocí paměti EEPROM:
Z důvodu snadného použití a minimální zabrané plochy na desce s plošnými spoji je často dávána přednost regulátoru LDO s pevným napětím. Tato verze s pevným výstupním napětím je často implementována na úrovni křemíkového plátku a znamená to, že když zákazník požaduje regulátor LDO s pevným výstupním napětím, které není v daném okamžiku k dispozici, může trvat splnění takového požadavku dlouhou dobu. Regulátory LDO s výstupním napětím naprogramovaným v paměti EEPROM jsou nastavovány až při koncových testech, což znamená, že nové hodnoty pevného výstupu může být dosaženo rychle a levně. Všechny regulátory LDO zmiňované v tomto článku (s výjimkou TPS715) jsou programovatelné pomocí paměti EEPROM.

Teplotní omezení:
Před konečným rozhodnutím o ideálnosti příslušného regulátoru LDO musí být zjištěn nárůst teploty. Datový list uvádí tabulku nejvyšší dovolené výkonové ztráty v daném pouzdře pro různé teploty provozních prostředí a tato tabulka, uvedená na obr. 5, může být nejrychlejším způsobem, jak ověřit teplotní parametry poté, co jste vypočítali ztrátový výkon jednoduše jako Iout*(Vin-Vout) plus klidová ztráta, je li v aplikaci významná.

Obr. 5: Jmenovité výkonové ztráty TPS78001 pro pouzdra SON6 (DRV) a SOT23 (DDC)

Pouzdra jako je SON mají na zadní straně tepelnou destičku, která je přiletovaná k zemnící ploše. Výsledkem je překvapivý tepelný výkon (615 mW při 85°C), při čemž konkrétní pouzdro SON6 má fyzické rozměry pouze 2 x 2 mm. Pouzdro SC70 neobsahuje tepelnou destičku a přesto že má podobné rozměry má výkon pouze 130 mW. Pouzdro SON8 má rozměry 3 x 3 mm a zvládne výkonovou ztrátu až 1 W. To samozřejmě platí pouze v případě, že je připájeno k zemnící ploše uvedené v konkrétním datasheetu – viz obr. 5.

Měkký start a Vbias u regulátorů “Ultra”LDO:
Jak už bylo řečeno, použití tranzistoru N-MOSFET má jisté výhody. Tranzistor N-MOSFET ale vyžaduje, aby napětí Vgs bylo vyšší než Vout. Jedním z řešení je přímo do pouzdra integrovat nábojovou pumpu, které vygeneruje vyšší napětí. Levnějším řešením je přidat druhý vstup, nazývaný předpětí, který následně napájí vnitřní řídící obvod, kde Vbias > Vout o hodnotu, která je uvedena v datasheetu obvodu. První vstup Vin je stále připojen na nízké napětí, které chcete regulovat. V takovém uspořádání je navíc dosaženo velice dobré PSRR i přechodové funkce, které už nejsou závislé na poměru Vin k Vout. Je tak regulovat například vstupních 1,5V na výstupních 1,3V a využít 5 V sběrnice nacházející se někde v systému pro vytvoření napětí Vbias.

Obr. 6 – TPS74401 regulátor ”Ultra” LDO s výstupem 3A a úbytkem 115 mV (typ)

Tuto funkci lze nalézt u regulátorů LDO řady TPS74x01 s rozsahem výstupu 0,5 až 3 A při 1 až 2% přesnosti výstupního napětí, dobrým PSRR a dobrou přechodovou charakteristikou na zátěži. Verze TPS741 a TPS743 mají navíc obsažen vývod TRACK, umožňující aby jejich výstupní napětí sledovalo nárůst dalších napětí při náběhu. Tyto charakteristiky jsou velmi vhodné pro vytváření sběrnic s nízkým napětím a velkým proudem, které jsou nezbytné například pro napájení moderních obvodů FPGA a procesorů.
Řada TPS74x01 má další neobvyklou funkci pro regulátor LDO – měkký start (soft-start). U regulátorů LDO s velkým proudem a velkou kapacitní zátěží je žádoucí, aby se napětí zvyšovalo řízeným způsobem z důvodu minimalizace přechodových proudů při startu. Řízený start je opakovatelný a stálý po celou dobu provozu zařízení a není ovlivněn proměnlivými parametry, jako jsou například hodnota kondenzátoru, ESR (efektivní sériový odpor) a rozptyl parametrů obvodu.

Regulátor LDO se dvěma výstupy:
Mnohé aplikace vyžadují malý rozměr nebo malý počet součástek. Dvojité regulátory LDO integrují dva nezávisle ovládané regulátory LDO v jednom společném pouzdře. Dvojité regulátory jako jsou TPS718xx-yy a TPS719xx-yy implementované v malém pouzdře SON 2x2 mm, které kromě toho, že má malé rozměry, dokáže rozptýlit i značný výkon. Hodnota „xx“ označuje první výstupní napětí a „yy“ druhé. Tyto obvody jsou charakterizovány vysokým PSRR a jsou programovatelné pomocí paměti EEPROM.

Závěr:
Každý návrhář má dnes při výběru regulátorů typu LDO mnohem větší možnosti než dříve a tento článek měl za cíl ukázal některé z těchto možností. Součástí článku jsou zmíněny i základní omezení, která je třeba brát v úvahu, a také problematiku samotného návrhu.

Autor: Dan Tooth PhD - TI

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

Reference:
TPS73601 Datasheet (SBVS038R)
TPS74401 Datasheet (SBVS066I)
TPS78225 Datasheet (SBVS115A)
TPS71501 Datasheet (SLVS338P)
TPS78001 Datasheet (SBVS083C)
TPS78101 Datasheet (SBVS102B)
TPS71701 Datasheet (SBVS068F)
TPS71812-33 Datasheet (SBVS088C)
TPS71933-33 Datasheet (SBVS088C)

Zdroj: http://www.pandatron.cz/?871&velky_pruvodce_vyberem_regulatoru_ldo_