Ist die Zeit für den endgültigen Abschied von LDOs zugunsten winziger Schaltregler schon gekommen?

Ich muss gestehen: Trotz aller Aufmerksamkeit, die Schaltreglern in letzter Zeit zuteil wurde, habe ich gefühlsmäßig (und vielleicht auch vom Verstand her) immer noch eine Schwäche für LDOs (Low-Dropout-Regler, Regler mit niedrigem Spannungseinbruch). Zu meinen Gründen dafür zählt, dass LDOs eine einzige Funktion erfüllen. Und sie machen das gut, sie machen das unkompliziert und sie bereiten einem dabei weder Kopfschmerzen noch Überraschungen. Außerdem waren die ersten Stromregelbausteine, die ich genutzt habe, LDOs, und sie haben mich nicht enttäuscht, als ich versuchte, echte Schaltungen zu konstruieren. Selbst heute noch, fällt mir – wenn ich eine Schiene für ein paar Volt und etwa ein Ampere an Stromstärke brauche – zuerst der einfache LDO mit seinen drei Anschlüssen ein und nicht der Schaltregler (auch als „Switcher“ bezeichnet).

Es ist nichts Neues, dass LDOs ganz allgemein eine geringere Effizienz haben als Schaltregler, aber bei niedrigeren Stromwerten – etwa einem Ampere – ist der Unterschied nur gering und sollte im konkreten Design nicht ausschlaggebend sein. Bei mehreren Ampere ist dieser Unterschied aber zumeist groß genug, dass der LDO keine gute Wahl mehr ist, es sei denn, Sie brauchen eine Schiene mit extrem geringem Rauschen. Doch selbst dafür sind einige Schaltregler ziemlich gut und bieten ein sehr geringes Rauschen. Und während es zwar möglich ist, einige Arten von LDOs mit niederohmigen Ableitwiderständen („Bleeder“) zwischen sich parallel zu schalten, um die Stromaufnahme auszugleichen, können sich dadurch Layout, Platzbedarf, Stückliste und Leistungsquantifizierung verkomplizieren.

Doch noch immer sind LDOs wichtige Komponenten im Stücklisten-Repertoire des Ingenieurs. Sie sind so einfach zu verwenden, dass viele Designer sie wie Popcorn auf ihrer Platine verstreuen – wo immer sie eine gute Regelung nahe zum Schaltkreis oder Teilschaltkreis brauchen. Dies minimiert den IR-Abfall und die Störsignalaufnahme der Stromschiene, führt aber auch zu anderen Übeln, die auftreten, wenn sich eine Stromquelle weiter weg von ihrer Last befindet.

Aber die Zeiten ändern sich

Dennoch, ich beginne mich zu fragen, ob nicht auch diese grundlegenden Integrationsvorteile von LDOs nach und nach keine Rolle mehr spielen. Schon jetzt zeigen gekapselte Niederstrom-Schaltregler Eigenschaften, die in Bezug auf Einfachheit, Größe, Bedarf an externen passiven Komponenten (oder auch nicht) sowie problemlose Integration mit denen der LDOs vergleichbar sind. Wenn man wie bei einer „Black Box“ nicht weiß, ob eine Schaltung diese gekapselten Schaltregler oder LDOs enthält, dann wäre es gar nicht so einfach, den Unterschied zwischen einem 1-Ampere-LDO und einem gekapselten Multiampere-Schaltregler zu erkennen.

Und während ein LDO den Strom lediglich nach unten regeln kann (= Buck-Modus), gibt es Schaltregler mit Buck-, Boost- und sogar Buck/Boost-Modus mit nahtlosem Übergang zwischen den beiden Modi. Das ist eine wichtige Fähigkeit, da viele Schaltungen durch eine einzige Li-Ionen-Zelle gespeist werden und den Buck/Boost-Modus brauchen, um die Regelung der Batterie zwischen voll aufgeladen und etwas entladen zu bewerkstelligen.

Überzeugen Sie mich mit preisgünstigen Beispielen

Nehmen wir den LTM8074 (LTM8074EY#PBF), einen rauscharmen µModule-Schaltregler von Analog Devices (Abbildung 1). Er hat einen großen Eingangsspannungsbereich (3,2 bis 40 Volt); einen großen Ausgangsspannungsbereich (0,8 bis 12 Volt); er liefert kontinuierlich 1,2 Ampere (bei 24 Volt Eingang und 5 V Ausgang); und er erreicht einen Spitzenausgangsstrom von 1,75 Ampere bei 3,3 Volt Ausgang. Doch was mich wirklich begeistert, ist seine geringe Größe. Als BGA-Baustein misst er lediglich 4 mm × 4 mm × 1,82 mm Höhe.

Abbildung 1: Der LTM8074 ist ein problemlos einsetzbarer Schaltregler mit sehr geringem Platzbedarf für sowohl das Modul als auch seine Gesamtschaltung. (Bildquelle: Analog Devices)

Alles, was er benötigt, sind zwei Kondensatoren (1 Mikrofarad (µF) und 10 µF) und zwei Widerstände. Das macht ihren Einsatz als vergleichbaren LDO-Ersatz so einfach, aber mit mehr Leistung bei geringerem Platzbedarf. Die Induktivität, die wir normalerweise mit einem Schaltregler assoziieren, ist in das Gehäuse eingebettet. Aus Perspektive des Entwicklers gehört er also gar nicht zur Stückliste und nimmt keinen zusätzlichen Platz in Anspruch. Außerdem sind die EMI-Emissionen ziemlich niedrig und ähneln denen des LDO (Abbildung 2).

Abbildung 2: Emissionen gemäß CISPR22 Klasse B des LTM8074 auf dessen Demo-Platine DC2753A, bei VOUT = 3,3 Volt, 1,2 Ampere Last und ohne EMI-Filter. (Bildquelle: Analog Devices)

Ein weiterer Anbieter dieser winzigen LDO-ähnlichen Schaltmodule ist Texas Instruments. Ihr LMZ10501 (LMZ10501SILR) ist ein 1-Ampere-Regler in NanoModule-Bauweise mit einem Eingangsspannungsbereich von 2,7 bis 5,5 Volt und einem Ausgangsspannungsbereich von 0,6 bis 3,6 Volt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der LMZ10501 von Texas Instruments wird einschließlich Induktivität in einem-Gehäuse mit den Abmessungen 3,00 mm × 2,60 mm geliefert. Als externe Komponenten benötigt er lediglich drei Keramikkondensatoren und zwei Widerstände. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der LMZ20501 benötigt nur drei Keramikkondensatoren und zwei Widerstände, und auch die Induktivität ist bereits in sein 8-Pin-microSiP-Paket integriert, das nur 3,00 mm × 2,60 mm groß ist (Abbildung 4). Und eines ist sicher: Wie ein Standardschaltkreis sieht er nicht aus.

Abbildung 4: Der Induktor ist beim LMZ10501 von Texas Instruments bereits in die NanoModule-Bauweise integriert, was Platz und zusätzliche Komponenten einspart. (Bildquelle: Texas Instruments)

Diese winzigen Schaltregler sind sogar in den unteren Stromstärkebereichen eine starke Konkurrenz zu den LDOs, wo diese für lange Zeit den Vorteil geringer Größe und hoher Benutzerfreundlichkeit boten. So ist zum Beispiel der MAXM15462 von Maxim Integrated ein äußerst effizienter DC/DC-Synchron-Abwärtswandler mit integriertem Controller, MOSFETs, Kompensationskomponenten und Induktivität, der in einem breiten Eingangsspannungsbereich arbeitet (Abbildung 5). Er akzeptiert einen Eingang von 4,5 bis 42 Volt und liefert bis zu 300 Milliampere (mA) Ausgangsstrom über eine programmierbare Ausgangsspannung von 0,9 bis 5 Volt. Außerhalb seines winzigen uSLIC™-Gehäuses (2,6 mm × 3 mm × 1,5 mm) benötigt er nur noch drei Kondensatoren (zwei mit 1 µF und einen mit 10 µF) und zwei Widerstände.

Abbildung 5: Der Schaltregler MAXM15462 von Maxim Integrated mit 300 mA Ausgangsstrom ist mit seiner geringen Größe selbst für Niederstrom-LDOs eine echte Konkurrenz. (Bildquelle: Maxim Integrated)

Doch die Vorteile dieser winzigen Schaltregler gehen weit darüber hinaus, kleiner und effizienter als in etwa vergleichbare LDOs zu sein. Je nach Art des gewählten Produkts enthalten sie schöne (und mitunter auch notwendige) Funktionen wie etwa Sanftanlauf zur Reduzierung des Einschaltstroms, einen „Power Good“-Ausgangs-Pin und eine programmierbare UVLO-Schwelle (Undervoltage Lockout, Unterspannungsabschaltung).

Wie wird es weitergehen?

Manchmal muss man sich einfach von seinen bisherigen Vorlieben trennen, um vom technischen Fortschritt zu profitieren. Ich habe erlebt, wie Ingenieure 20 Jahre alte Operationsverstärker für neue Produktdesigns spezifizieren – in erster Linie, weil sie mit diesen vertraut waren und deren Eigenheiten kannten. Dies ist in gewisser Weise eine durchaus vernünftige Taktik, aber es kann das endgültige Design daran hindern, mehr zu leisten, billiger zu sein oder kleiner zu sein.

Stromregler wie etwa LDOs werden wohl auch künftig noch in Millionen- und Milliardenstückzahlen jährlich in neuen Designs verbaut. Jedoch bieten Niederstrom-Schaltregler schon jetzt so viel mehr im Hinblick auf verbesserte Leistung, gutes Verhalten, Benutzerfreundlichkeit und Effizienz – und das in einem kleineren Gehäuse. Es wäre schon fast professionelle Fahrlässigkeit, sie nicht zumindest in Betracht zu ziehen, trotz eines ersten Impulses, die vertrauten LDOs auf die Stückliste zu setzen.

Während Sie nun darüber nachdenken, werde ich mich dem Vergaser in meinem Auto widmen. Ich glaube, sein Nadelventil muss gereinigt werden, und der Schwimmer ist falsch eingestellt.

Über den Autor

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Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.

Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.

Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.

Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.

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