Die Grundlagen von LDOs und ihre Anwendung zur Verlängerung der Batterielebensdauer in tragbaren und Wearable-Geräten

Moderne elektronische Geräte werden immer kleiner und mobiler. Smartwatches, Fitness-Tracker, Sicherheitssysteme und Geräte des Internets der Dinge (IoT) werden zunehmend mit Batterien betrieben. Daher benötigen sie hocheffiziente Leistungsregler, die jedes Milliwatt aus jeder Ladung herausholen, damit das Gerät länger funktioniert. Außerdem müssen sie mit einem minimalen Temperaturanstieg arbeiten. Herkömmliche Linearregler und Schaltregler können die für diese tragbaren Geräte erforderlichen Wirkungsgrade nicht ohne weiteres erreichen. Darüber hinaus leiden Schaltregler auch unter Rauschen und Spannungsspitzen.

Der Spannungsregler mit niedrigem Spannungseinbruch (LDO), die jüngste Ergänzung zu den Linear- und Schaltreglern, nutzt den Betrieb mit sehr geringen Spannungsabfällen über dem Regler, um die Effizienz zu verbessern und die Wärmeabgabe zu verringern. Variationen von LDOs eignen sich gut für Anwendungen mit niedrigem bis mittlerem Stromverbrauch, für die sie in Gehäusen von nur 3 × 3 × 0,6 Millimetern (mm) erhältlich sind. Es sind Versionen mit festen oder einstellbaren Ausgangsspannungen sowie einige Versionen mit Ein-Aus-Steuerung über eine Ausgangsfreigabeleitung erhältlich.

Dieser Artikel befasst sich mit den Grundlagen von LDO-Reglern und ihren wichtigsten Merkmalen im Vergleich zu herkömmlichen linearen und Schaltreglern. Anschließend werden reale LDO-Bauelemente von Diodes Incorporated vorgestellt und ihre Anwendung gezeigt.

Was ist eine LDO-Regler?

Die Aufgabe eines Spannungsreglers besteht darin, die Ausgangsspannung bei Änderungen der Last- und Quellenspannung konstant zu halten. Herkömmliche Spannungsreglerschaltungen verwenden entweder lineare Regler oder Schaltregler. LDO-Regler gehören zur Klasse der Linearregler, arbeiten aber mit sehr niedrigen Spannungen zwischen den Eingangs- und Ausgangsklemmen. Wie alle linearen Spannungsregler basiert auch der LDO auf einem rückgekoppelten Regelkreis (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein LDO-Regler basiert auf einer spannungsgesteuerten Rückkopplungsschaltung. Die in Reihe geschaltete Durchschaltkomponente, bei der es sich um einen PMOS-, NMOS- oder PNP-Bipolartransistor handeln kann, wirkt wie ein spannungsgesteuerter Widerstand. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Der LDO-Regler erfasst die Ausgangsspannung über einen ohmschen Spannungsteiler, der den Ausgangspegel skaliert. Die skalierte Ausgangsspannung wird einem Fehlerverstärker zugeführt, wo sie mit einer Referenzspannung verglichen wird. Der Fehlerverstärker steuert die Durchschaltkomponente, um die gewünschte Spannung an der Ausgangsklemme aufrechtzuerhalten. Die Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung ist der Spannungsabfall, der an der Durchschaltkomponente auftritt.

Die Durchschaltkomponente in einem LDO wirkt wie ein spannungsvariabler Widerstand. Die Durchschaltkomponente kann ein P-Kanal-Metalloxid-Halbleiter (PMOS), ein N-Kanal-Metalloxid-Halbleiter (NMOS) oder ein PNP-Bipolartransistor sein. PMOS- und PNP-Bauelemente können in die Sättigung getrieben werden, wodurch der Spannungsabfall minimiert wird. Im Falle eines PMOS-Feldeffekttransistors (FET) entspricht der Spannungsabfall ungefähr dem Kanal-Durchlasswiderstand (R_DSON) mal dem Ausgangsstrom. Obwohl jeder dieser Bausteine Vor- und Nachteile hat, erweist sich der PMOS-Baustein als derjenige mit den geringsten Implementierungskosten. Die LDO-Regler der Serie AP7361EA von Diodes Incorporated mit positivem Ausgang verwenden eine PMOS-Durchschaltkomponente und erreichen einen Spannungsabfall von etwa 360 Millivolt (mV) für einen 3,3-Volt-Ausgang bei einem Laststrom von 1 Ampere (A) und eine Spannungsgenauigkeit von ±1 % (Abbildung 2).

Abbildung 2: Dargestellt ist der Spannungsabfall des 3,3-Volt-LDOs der Serie AP7361EA als Funktion des Ausgangsstroms bei drei verschiedenen Temperaturen. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Das Diagramm des Spannungsabfalls als Funktion des Ausgangsstroms zeigt eine konstante Steigung für jede Temperatur, was auf den Widerstandscharakter hinweist. Der Spannungsabfall ist in gewissem Maße temperaturabhängig, wobei der Wert mit steigender Temperatur zunimmt. Beachten Sie, dass der Spannungsabfall des LDO viel niedriger ist als die eines herkömmlichen linearen Leistungsreglers, der einen Spannungsabfall von etwa 2 Volt hat.

Beachten Sie auch, dass der Ausgangskondensator in Abbildung 1 mit dem ihm eigenen effektiven Serienwiderstand (ESR) dargestellt ist, der die Stabilität des Reglers beeinflusst. Der gewählte Kondensator sollte einen ESR-Wert von weniger als 10 Ohm (Ω) haben, um die Stabilität über die gesamte Betriebstemperatur von -40° bis +85°C zu gewährleisten. Zu den empfohlenen Kondensatortypen gehören keramische Mehrschichtkondensatoren (MLCC), Festkörper-ECAPs und Tantalkondensatoren mit Werten über 2,2 Mikrofarad (mF).

Der Ruhestrom, I_Q, ist der Strom, den der LDO ohne Last aus der Stromquelle bezieht. Der Ruhestrom versorgt die internen Schaltungen des LDO, wie den Fehlerverstärker und den Ausgangsspannungsteiler, mit Strom. Bei batteriebetriebenen Geräten wirkt sich der Ruhestrom auf die Entladungsrate der Batterie aus und wird im Allgemeinen so gering wie möglich gehalten. Die AP7361EA-Serie von Diodes Incorporated hat einen typischen I_Q von 68 mA.

Die LDOs der Serie AP7361EA

Die AP7361EA-Serie umfasst drei alternative Schaltungskonfigurationen, wie in Abbildung 3 dargestellt

Abbildung 3: Die Serie AP7361EA bietet Komponenten mit fester oder einstellbarer Ausgangsspannung, mit oder ohne Freigabesteuerung. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Die Serie AP7361EA umfasst Versionen mit festen oder einstellbaren Ausgangsspannungen. Die Versionen mit fester Spannung haben interne Spannungsteiler und bieten Ausgangsspannungspegel von 1,0, 1,2, 1,5, 1,8, 2,5, 2,8 oder 3,3 Volt. Die Komponenten mit einstellbarem Ausgang benötigen einen externen Spannungsteiler und haben einen Ausgangsspannungsbereich von 0,8 bis 5 Volt. Die Genauigkeit der Ausgangsspannung beträgt bei allen Versionen ± 1 %, der Eingangsspannungsbereich reicht von 2,2 bis 6 Volt.

Die festen oder einstellbaren Versionen können eine Freigabe-Steuerleitung (EN) enthalten. Der AP7361EA wird eingeschaltet, indem der EN-Pin auf High-Pegel gesetzt wird, und wird ausgeschaltet, indem er auf Low-Pegel gezogen wird. Wenn diese Funktion nicht verwendet wird, sollte der EN-Pin mit dem Eingangspin (IN) verbunden werden, damit der Reglerausgang immer eingeschaltet bleibt. Die Ansprechzeit für die Freigabeleitung beträgt etwa 200 Mikrosekunden (µs) für das Einschalten und etwa 50 µs für das Ausschalten.

Der andere wesentliche Unterschied zwischen den AP7361EA-Komponenten ist das Gehäuse. Sie sind in den Gehäusen U-DFN3030-8 (Typ E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK) und SO-8EP erhältlich.

Ein Vergleich einiger Beispiele der AP7361EA-Produkte, darunter sowohl feste(AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) als auch einstellbare (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13) Versionen, ist in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Ein Beispiel für die Konfigurationen des AP7361EA mit fester und einstellbarer Spannung. (Quelle der Tabelle: Art Pini, unter Verwendung von Daten von Diodes Inc.)

Die Komponenten der Serie AP7361EA sind alle gegen Kurzschluss und Überstrom geschützt. Der Kurzschluss- und Überstromschutz verfügt über eine Foldback-Strombegrenzung von 400 Milliampere (mA), wenn der Ausgangsstrom die Strombegrenzung, typischerweise 1,5 A, überschreitet. Die thermische Abschaltung erfolgt, wenn die Sperrschichttemperatur des Bauelements auf nominal 150 °C ansteigt, und der Betrieb wird wiederhergestellt, wenn sie unter etwa 130 °C fällt.

Last- und Netzregelung

Die Lastregelung beschreibt die Fähigkeit des LDO, seine Ausgangsspannung trotz Änderungen des Ausgangslaststroms beizubehalten. Dies ist wichtig bei batteriebetriebenen tragbaren Geräten, bei denen die Steuergeräte oft Teilsysteme abschalten, wenn sie nicht benutzt werden. Die LDO-Serie AP7361EA hat eine maximale spezifizierte Lastregelung von 1,5 % für Ausgangspegel von 1 bis 1,2 Volt und 1 % für Ausgänge von 1,2 bis 3,3 Volt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Ein Beispiel für ein Lastregelungsdiagramm für einen 3,3-Volt-Ausgang. Die maximale Ausgangsabweichung beträgt ca. 0,15 % oder etwa 5,0 mV bei einer Laständerung von 100 bis 500 mA für den 3,3-Volt-Nennausgang. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Die Lastregelung wird als Verhältnis zwischen der maximalen Ausgangsspannungsänderung und der Nennausgangsspannung berechnet. Im obigen Beispiel beträgt die maximale Ausgangsvariation etwa 5,0 mV bei einer Laständerung von 100 mA auf 500 mA. Die Lastregelung beträgt also 0,005/3,3 oder 0,15%.

Die Netzvariation gibt die Variation des Ausgangs bei einer Änderung der Quellenspannung pro Volt des Ausgangs an. Die Serie AP7361EA bietet eine maximale Netzregelung von 0,1% pro Volt (%/V) bei Raumtemperatur und 0,2%/V über den gesamten Temperaturbereich. Bei einem 3,3-Volt-Ausgang sollte eine Änderung des Eingangspegels um 1 Volt zu einer Änderung des Ausgangspegels von weniger als 0,33 % des nominalen 3,3-Volt-Ausgangs führen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Gezeigt wird ein Diagramm der Netzregelung für einen AP7361EA, der mit einem 3,3-Volt-Ausgang arbeitet. Eine Änderung der Eingangsspannung von 4,3 auf 5,3 Volt führt zu einer Änderung der Ausgangsspannung um 0,05 %. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Abbildung 5 zeigt die Netzregelungscharakteristik des LDO. Eine Änderung der Quellenspannung von 4,3 auf 5,3 Volt führt zu einer Änderung des Ausgangspegels um 0,05 %, also etwa 1,65 mV.

Sowohl bei Netz- als auch bei Laständerungen erholt sich der Ausgang schnell von den transienten Ereignissen. Dies ist wichtig für den Neustart von Prozessen in tragbaren Geräten, bei denen der Versorgungsbus in Betrieb sein muss, bevor die inaktiven Schaltkreise wieder in Betrieb genommen werden können.

Versorgungsspannungsdurchgriff

Da es sich bei LDOs um lineare Schaltungen handelt, erzeugen sie viel weniger Rauschen als Schaltnetzteile (SMPS) oder Leistungswandler. In vielen Anwendungen wird ein LDO lokal auf der Platine verwendet, aber die Stromquelle ist ein Schaltnetzteil. Aufgrund des Steuersystems in einem LDO neigt dieser dazu, Rauschen und Restwelligkeit der Eingangsstromquelle zu unterdrücken. Das Maß für diese Rauschunterdrückung ist der Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) (Abbildung 6).

Abbildung 6: Der PSRR wird auf der Grundlage der am Eingang und Ausgang des LDO gemessenen Wechselstromsignale berechnet. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Der PSRR wird auf der Grundlage des Verhältnisses der AC-Komponenten des Eingangs zu denen des Ausgangs berechnet, wie in Abbildung 6 dargestellt. Der PSRR der Serie AP7361EA ist frequenzabhängig und nimmt mit steigender Frequenz ab. Der PSRR beträgt 75 Dezibel (dB) bei 1 Kilohertz (kHz) und fällt auf 55 dB bei einer Frequenz von 10 kHz. 75 dB entsprechen einer Dämpfung von über 5600:1. Ein 10mV-Welligkeits- oder -Rauschsignal bei 1 kHz würde auf etwa 1,7 Mikrovolt (µV) abgeschwächt werden.

Anwendungsbeispiel

Eine typische Anwendung eines LDO mit einstellbarem Ausgang ist in Abbildung 7 dargestellt. Er verfügt über eine Ausgangsfreigabe, ähnlich wie der AP7361EA-SPR-13, sowie einen externen Ausgangsspannungsteiler.

Abbildung 7: Ein Beispiel für die Verwendung eines LDO mit einstellbarem Ausgang, der einen externen Ausgangsspannungsteiler erfordert. Die Gleichung (unten rechts) zeigt die Beziehung zwischen den Widerständen R1 und R2 für die gewünschte Ausgangsspannung und die interne Referenzspannung. (Bildquelle: Diodes Incorporated)

Die Werte der Widerstände des Spannungsteilers können anhand der Gleichungen unten rechts in Abbildung 7 berechnet werden. Der Wert von R2 sollte weniger als 80 Kiloohm (kΩ) betragen, um die Stabilität der internen Spannungsreferenz zu gewährleisten. Bei einer Ausgangsspannung von 2,4 Volt, einer Referenzspannung von 0,8 Volt und einem R2-Wert von 61,9 kΩ ergibt sich ein R1-Wert von 123,8 kΩ. Ein Widerstand mit 124 kΩ und 1% Toleranz wäre geeignet.

Fazit

LDOs sind lineare Spannungsregler, die mit geringen Spannungsunterschieden zwischen Eingang und Ausgang und mit niedrigen Ruheströmen arbeiten. Sie bieten einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Rauschen und geringer Größe. Sie eignen sich besonders gut für batteriebetriebene, tragbare Geräte, wo sie die Lebensdauer der Batterien verlängern und die Zuverlässigkeit verbessern.