In diesem Tutorial lernen wir eines der wichtigen Konzepte für jeden Hardware-/Systemdesigner kennen: einen Low-Drop-Out-Regler oder einen LDO. Wir werden sehen, was ein LDO ist, wir werden verstehen, wie ein Low-Drop-Out-Spannungsregler funktioniert, wichtige Eigenschaften von LDOs und auch einige Parameter.
Einführung
Die Größe moderner elektronischer Geräte nimmt immer weiter ab. Die Zahlen zur Batterieeffizienz ändern sich jedoch stark, was ein Faktor dafür ist, dass die Grenzen von Energieverwaltungssystemen immer weiter ausgeweitet werden.
Technische Entwicklungen in der Halbleiterfertigung haben zur SoC- oder System-on-Chip-Architektur geführt, bei der analoge, digitale und HF-Subsysteme in einem einzigen Siliziumchip integriert sind. Dies bedeutet, dass verschiedene Blöcke des Systems unterschiedliche Anforderungen an die Stromversorgung haben.
Ein Power-Management-System (PMIC) enthält mehrere Stromversorgungskreise wie Schaltregler, DC-DC-Wandler, lineare Spannungsregler und einen LDO. In diesem Tutorial konzentrieren wir uns auf LDOs.
Was ist ein LDO?
Ein Low-Drop-Out-Spannungsregler oder einfach ein LDO-Regler ist ein wesentlicher Bestandteil des Energieverwaltungssystems, insbesondere in batteriebetriebenen Geräten. LDOs können mehrere Spannungspegel mit einem konstanten und stabilen Ausgang bereitstellen. Die Ausgangsspannung eines LDO ist unabhängig von der Lastimpedanz, den Änderungen der Eingangsspannungen (Entladung in der Batterie) und der Temperatur.
Der LDO-Regler oder Low-Dropout-Regler ist eine Art linearer Spannungsregler, der bei einer sehr geringen Potentialdifferenz zwischen Eingang und Ausgang arbeiten kann. Beispielsweise hat ein typischer Li-Ionen-Akku einen Spannungsbereich von 4,2 V bei vollständiger Ladung bis 2,7 V bei vollständiger Entladung. Selbst wenn die Batteriespannung unter 3 V liegt, kann ein LDO noch die gewünschten 2,5 V am Ausgang aufrechterhalten.
Kurzer Hinweis zu linearen Spannungsreglern
Möglicherweise haben Sie in Ihrem Schaltungsentwurf mehrere lineare Spannungsregler-ICs gesehen/verwendet. Wenn Sie Einsteiger oder Hobby-Elektroniker sind, dann dürften Sie schon einmal auf die renommierte 78XX-Serie von Spannungsreglern wie zum Beispiel 7805 oder 7812 gestoßen sein. Dies sind Beispiele für lineare Spannungsregler.
Ein linearer Spannungsregler ist ein Gerät oder eine Schaltung mit einer variablen Eingangsspannung und einer stetigen, kontinuierlich geregelten, rauscharmen DC-Ausgangsspannung. Die konstante Ausgangsspannung eines Spannungsreglers ist das Ergebnis der kontinuierlichen Anpassung seines Innenwiderstands an die Änderungen des Lastwiderstands.
Die Ausgangsspannung dieses einfachen Konstantspannungsreglers ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
Wenn keine Last vorhanden ist, dh R LOAD = ∞, ist die Ausgangsspannung maximal und entspricht dem Eingang am Spannungsregler. Bei vorhandener Last liegt die Ausgangsspannung unter dem maximal möglichen Wert. Die Differenz zwischen der maximalen Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung unter Last wird als Ausgangsspannungsfehler bezeichnet und durch E VO dargestellt .
Dieser Fehler wird normalerweise als prozentualer Unterschied zwischen der maximalen Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung unter Last dargestellt.
In Bezug auf Eingangs- und Lastwiderstände ergibt sich der Fehlerprozentsatz durch:
Wir müssen diesen Fehler minimieren und dazu müssen wir ein Feedback einführen. Der Rückkopplungskreis erkennt die in der Last auftretenden Änderungen und passt den variablen Innenwiderstand so an, dass das Verhältnis von Innenwiderstand zu Lastwiderstand konstant bleibt.
Aufgrund der obigen Annahme können wir sagen, dass der Innenwiderstand dem Lastwiderstand „linear“ folgt.
Low-Drop-Out-Regler verstehen
Wir können lineare Spannungsregler in zwei Typen einteilen: Standard- oder Basisspannungsregler und Low-Drop-out-Regler. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht in der Höhe der Dropout-Spannung und der Art des verwendeten Durchgangselements.
Die Dropout-Spannung, auch Headroom genannt, ist die Mindestspannung am Regler für eine ordnungsgemäße Regelung. Die Ausgangsspannung ist gleich der Differenz zwischen der Eingangsspannung und dem Spannungsabfall am Durchgangselement.
Bei Standard-Linearreglern ist das Durchgangselement ein Darlington-Paar aus NPN oder PNP. Sie wurden durch MOSFETs in modernen Designs ersetzt.
Bei Low-Dropout-Reglern ist der Spannungsabfall am Durchgangselement normalerweise sehr gering, damit der Regler die Eingangsspannung richtig regeln kann.
Das folgende Bild zeigt ein klassisches Layout eines Low-Dropout-Spannungsreglers. Es besteht aus einem Passelement, einem Fehlerverstärker und einem Widerstands-Rückkopplungsnetzwerk.
Das Widerstandsrückkopplungsnetzwerk, bestehend aus einem Spannungsteiler, liefert eine skalierte Ausgangsspannung, die der Referenzspannung entspricht. Der Fehlerverstärker vergleicht ständig die Referenzspannung und die Rückkopplungsspannung (bereitgestellt durch Spannungsteiler).
Anschließend wird die Differenz verstärkt und der Ausgang treibt das Durchgangselement (MOSFET) an, um die Ausgangsspannung auf dem gewünschten Niveau zu halten.
Elemente des LDO-Reglers
Schauen wir uns nun alle Elemente eines Low-Drop-Out-Reglers genauer an.
Spannungsreferenz
Es ist der Ausgangspunkt eines jeden Reglers, da es den Arbeitspunkt des Fehlerverstärkers festlegt. Normalerweise wird eine Spannungsreferenz vom Bandlückentyp verwendet, da sie den Betrieb bei niedrigen Versorgungsspannungen ermöglicht.
Fehlerverstärker
Die Hauptanforderung beim Design des Fehlerverstärkers besteht darin, dass er möglichst wenig Strom aufnehmen sollte. Der Ausgangswiderstand des Verstärkers muss so niedrig wie möglich sein, da die Gate-Kapazität des Durchgangstransistors groß ist.
Die vom Spannungsteilernetzwerk herunterskalierte Ausgangsspannung ist ein Eingang des Fehlerverstärkers, während der andere Eingang die Referenzspannung ist. Nach dem Vergleich passt der Fehlerverstärker dann den Widerstand des Durchgangselements an.
Rückmeldung
Die Rückkopplung des Widerstandsspannungsteilers ist für die Verkleinerung der Ausgangsspannung verantwortlich und ermöglicht den Vergleich mit der Referenzspannung durch den Fehlerverstärker.
Pass-Element
Das Durchgangselement im LDO ist für die Stromübertragung vom Eingang zur Last verantwortlich und wird vom Fehlerverstärker in der Rückkopplungsschleife angesteuert. Als Durchgangselemente werden im Allgemeinen MOSFETs (sowohl PMOS als auch NMOS) verwendet.
Das folgende Bild zeigt ein typisches LDO-Layout mit PMOS-Durchgangselement.
V GS des PMOS-Durchgangselements ist an V dd gebunden . Die minimale Spannung, die der PMOS-Transistor benötigt, um in der Sättigung zu bleiben und ordnungsgemäß zu regeln, wird durch die minimale Drain-Source-Spannung V ds angegeben . Das PMOS-Pass-Element ist nicht für Anwendungen mit sehr niedriger Spannung geeignet.
Das folgende Bild zeigt ein NMOS-Pass-Element-basiertes LDO. Der Vorteil von NMOS besteht darin, dass es sich um eine Source-Folger-Konfiguration handelt und der Ausgang des Reglers an der Source des Transistors liegt.
Die Schaltung mit NMOS-Transistor ist normalerweise groß und komplex, es ist jedoch möglich, niedrige Eingangs-, Ausgangs- und Dropout-Spannungen zu erreichen.
Ausgangskondensator
Der Ausgangskondensator ist eine wichtige Komponente in einem LDO-Regler, da er sicherstellt, dass der Strom bei Lasttransienten sofort an die Last geliefert wird, bis der Fehlerverstärker bereit ist.
Der ESR- oder äquivalente Serienwiderstand des Kondensators ist sehr wichtig, da er den Stromfluss vom Kondensator zur Last begrenzt. Daher sind für einen 1µF-Kondensator mit einem ESR im Bereich von 10 mΩ bis 300 mΩ folgende Kondensatortypen möglich:
- Keramikkondensatoren
- Polymer-Elektrolytkondensatoren
- Tantalkondensatoren mit niedrigem ESR
LDO-Parameter
Werfen wir nun einen Blick auf einige der wichtigen stationären und transienten Parameter eines Low-Dropout-Spannungsreglers.
Ausfallspannung
Die Differenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Reglers wird als Dropout-Spannung des Reglers bezeichnet. Wenn sich die Eingangsspannung der Ausgangsspannung nähert, hört der Regler auf zu regulieren.
Ruhestrom
Die Differenz zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstrom wird als Ruhestrom oder Erdstrom bezeichnet. In Systemen mit geringer Leistung führt ein niedriger Ruhestrom zu maximaler Effizienz.
Effizienz
Die Effizienz eines LDO-Reglers hängt vom Ruhestrom und der Eingangs-Ausgangsspannung ab. Die Effizienz ergibt sich aus:
Durch die Minimierung der Dropout-Spannung sowie des Ruhestroms kann die Effizienz von LDO erhöht werden.
Vorübergehende Reaktion
Dies ist die maximale Ausgangsspannungsschwankung für einen Laststromschritt oder einen Eingangsspannungsschritt. Das Einschwingverhalten ist eine Funktion des Ausgangskondensators mit seinem ESR (äquivalenter Serienwiderstand).
Zeilenregulierung
Unter Leitungsregulierung versteht man die Fähigkeit des Reglers, die gewünschte Ausgangsspannung bei variierenden Eingangsspannungen aufrechtzuerhalten vmmem.
Ladungsregulierung
Steigt der Laststrombedarf, ist der Ausgangskondensator für die Strombereitstellung zuständig. Dadurch ändert sich die Ausgangsspannung, was vom Rückkopplungsnetzwerk erfasst wird.
Um dies zu kompensieren, lässt der Fehlerverstärker mehr Strom durch den Durchgangstransistor fließen. Unter Lastregelung versteht man die Fähigkeit eines Reglers, die gewünschte Ausgangsspannung trotz schwankender Lastströme aufrechtzuerhalten.