Regulador reductor vs LDO para AC, DC y RF: ¿Cuál es mejor?

Zachariah Peterson
|  Creado: October 3, 2021
Regulador reductor STM32

Esta parece ser una pregunta muy básica que siempre nos hace pensar demasiado: ¿cuándo debería usar un LDO, y cuándo un convertidor reductor? Algunos aspectos importantes respecto a seleccionar un LDO en vez de un convertidor conmutado son: el tipo de componentes a alimentar, la corriente total extraída del regulador, y la cantidad de calor que estos componentes pueden tolerar.

En un artículo anterior, analizamos algunos de los factores que limitan la eficiencia de un LDO, en particular debido a la construcción de este componente, y cómo responde a un voltaje alto de entrada por encima de su nivel de caída. Con un convertidor reductor (o reductor buck), esto es un problema mucho menor, pero en este caso, la tasa de modulación ON/OFF en los elementos conmutados pasa a ser el punto clave a considerar. Estos son problemas complejos que están relacionados a la estructura de los MOSFETs, por lo que es mejor no quedarse estancado en este tema. En lugar de ello, vamos a analizar algunos casos en los que a usted le convendría utilizar un convertidor reductor en vez de un LDO como el paso final de salida en su estrategia de regulación de potencia.

Breve comparación entre un convertidor reductor y un LDO

Si usted está ponderando el uso de un convertidor reductor o un LDO para ciertas porciones de su sistema, o para darle energía a toda su placa, debería reflexionar acerca de los componentes que debe alimentar, y cuánta energía estos consumen. Aquí se encuentran los puntos principales para tener en cuenta a la hora de seleccionar componentes reguladores y diseñar su circuito:

 

LDO

Convertidor reductor

Mecanismo de reducción

Resistivo (reduce por calor)

Reactivo

Eficiencia

Varía con el diferencial de entrada

Típicamente por arriba del 85%

Generación de calor

Se vuelve elevada con altas corrientes de salida

Primariamente en el MOSFET, a altas corrientes

Ruido

Muy bajo

Puede ser alto; depende del inductor de salida y la frecuencia del PWM (Modulación por ancho de pulsos)

Cada uno de estos aspectos de los circuitos reguladores juega un rol importante en diferentes tipos de circuitos. Para ayudar a clarificar estas diferencias, echemos un vistazo a estos tres sistemas típicos: DC, AC (todo analógico) y RF.

Circuitos DC

Trabajar con DC es muy sencillo, siempre y cuando el voltaje de entrada que se necesite regular sea cercano al voltaje de salida que necesita de su regulador. Si está operando en DC, o nominalmente en DC con circuitos digitales, los LDO serán generalmente su mejor opción por varias razones, pero siempre y cuando opere a bajas corrientes, o con un diferencial mínimo de voltaje por encima del voltaje de caída. Dadas las consideraciones de la eficiencia y de caída que se discutieron en un artículo previo, hay dos casos en los que conviene utilizar un LDO:

  1. Bajos diferenciales en un rango de corrientes. En el peor de los casos, cuando se opera a altas corrientes, se generará mucho calor y la temperatura del dispositivo quizás sea muy alta.
  2. Un diferencial elevado, pero únicamente a corrientes bajas. Este es también un problema de disipación de calor y de eficiencia; a muy altas corrientes también se disipa mucho calor.

Si usted opera un LDO por afuera de estos límites, está arriesgándose a sobrecalentar el dispositivo hasta su falla, o a no regular. En este caso, elija utilizar un convertidor regulador, particularmente cuando opera a un alto diferencial entrada-salida.

Con un procesador digital más rápido, por ejemplo, algunas de las variantes más rápidas MSP430 o STM32, tendrá problemas en la integridad de la potencia si no utiliza un plano de alimentación, lo cual conllevará a fluctuaciones en el voltaje en exceso de alrededor de 100mV en el carril de alimentación. Sin embargo, estas fluctuaciones son, generalmente, lo suficientemente pequeñas, y no arrastrarán al LDO fuera del régimen de regulación. Esto podría cambiar si tuviera múltiples IC digitales en diferentes bloques de circuitos, y todos estuviesen extrayendo corrientes altas. En este caso, debería separar componentes en diferentes etapas en paralelo.

Regulador conmutado y LDO

Circuitos analógicos

Si usted necesita suministrarle energía a un circuito analógico, un LDO también es útil dado que este dispositivo produce poco ruido. Yo he utilizado LDOs hasta algunos watts de potencia en circuitos DC y analógicos.Sin embargo, esto requirió añadir un disipador de calor al paquete para disipar el calor debido a las altas corrientes y diferenciales. Los circuitos analógicos son un desafío, dado que son sensibles al ruido, por lo que un LDO es lo preferible ya que estos componentes típicamente tienen un rechazo de ruido en exceso de 50-60 dB en la potencia de salida. Si usted necesita otorgarle una alta potencia a un circuito analógico desde una fuente DC (esto no es muy común), un convertidor regulador sería más adecuado. Es en este punto en donde tenemos que pensar en algunas de las estrategias utilizadas en los diseños de fuentes de circuitos RF.

Circuitos y componentes RF

Los sistemas RF, como los amplificadores, pueden ser alimentados a través de un LDO, aunque la eficiencia y el problema del calentamiento es por donde usted debería comenzar a pensar su diseño. Para sistemas de baja potencia, como un módulo WiFi (por ejemplo, ESP32 o SimpleLink), un LDO es una opción válida siempre y cuando no esté utilizando potencias muy altas. Si usted no puede lidiar con el calentamiento, o necesita altas potencias para señales moduladas, deberá utilizar un convertidor reductor.

Módulo WiFi
Los módulos WiFi que operan a potencias relativamente bajas pueden ser utilizados con un LDO pequeño.

Construir sistemas RF con un convertidor reductor DC puede ser un desafío. El mayor problema es el ruido, aunque muchos IC RF (como por ejemplo un MCU con radio integrada) tendrán un LDO en chip (ODT) que permitirá una regulación, por lo que su trabajo consistirá en obtener potencia libre de ruido de los pins de alimentación. Puede hacer un filtrado pasivo en la salida con un capacitor más grande, y un inductor para estabilizar la salida DC.

Si usted necesita operar a altas potencias y frecuencias, abasteciendo señales moduladas, debe saber que este es un tema más avanzado que requiere de su propio artículo. Lo discutiremos próximamente.

Logrando el cambio de una fuente de alimentación de banco a una placa real

Si usted está utilizando una fuente de alimentación regulada de banco, y la está conectando directamente a un módulo o placa de desarrollador, entonces no se tendrá que preocupar por esto. Las fuentes de alimentación de banco se encuentran diseñadas para ser multifuncionales y proveer de bajo ruido de conmutación mediante una variedad de técnicas (operación multifase, frecuencias PWM más altas, razones más rápidas de borde en PWM, ferritas más grandes, etc.) Sin embargo, cuando se encuentre listo para transicionar su prototipo y comience a crear una placa personalizada, necesitará de herramientas que lo ayuden a construir sus esquemáticos de regulación de potencia, y a crear la disposición del PCB para sus circuitos.

Luego de que usted haya decidido si utilizará un convertidor reductor, o un LDO, y se encuentre listo para crear la disposición de su PCB, tendrá acceso a un conjunto completo de disposiciones de PCB y funcionalidades de enrutamiento en CircuitMaker. Los usuarios pueden fabricar esquemáticos detallados para circuitos de regulación de potencia, e instantáneamente transferir sus datos a una nueva disposición de PCB. Todos los usuarios de CircuitMaker tienen acceso a un área de trabajo personal en la plataforma de Altium 365, donde pueden subir y almacenar archivos en la nube, y fácilmente mirar proyectos vía un navegador web en una plataforma segura.

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Sobre el autor / Sobre la autora

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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