Examinando los límites de eficiencia de su Regulador de Bajo Diferencial (LDO)

Zachariah Peterson
|  Creado: September 20, 2021
Placa de circuito impreso con componentes

Si está diseñando una placa de circuito para ser alimentada por cualquier dispositivo, a excepción de una fuente de alimentación de banco, necesitará seleccionar un regulador de potencia para colocar en tu placa. Como cualquier otro componente, su regulador lleva indicadas ciertas especificaciones de operación que encontrará en el resumen del producto, y además tiene otras especificaciones más detalladas que encontrará en su hoja de datos. Los detalles más finos de la hoja de datos son fáciles de pasar por alto; sin embargo, éstos constituyen los factores que más influirán en cómo su componente interactuará con el resto de su sistema.

Los reguladores de potencia como los reguladores de bajo diferencial (LDO) son simples de colocar y utilizar en su diseño. Son literalmente para “conectar y utilizar” (plug and play), con los de salida fija más simples necesitando únicamente de 3 terminales y algunas resistencias externas para funcionar apropiadamente. No se puede garantizar que la eficiencia de un LDO se sitúe en un valor determinado, ya que éste se encuentra relacionado con el límite de corriente al que puede acceder su placa durante su funcionamiento. Antes de conectar una entrada de alto voltaje a un LDO, asegúrese de leer estas recomendaciones para garantizar que puede suministrar una potencia suficiente.

¿Qué determina la eficiencia del LDO?

Los LDO son simples y operan siempre a partir del mismo principio: Este componente disminuye un voltaje de entrada al valor deseado, y la energía eléctrica excedente es disipada en forma de calor. Los LDO son ajustables de forma externa mediante un divisor de voltaje, y necesitará algunos capacitores de salida/entrada para filtrados adicionales. Todo LDO sigue una ecuación sencilla que determina su eficiencia:

Ecuación de eficiencia del LDO
Ecuación de eficiencia del LDO

Cuando el voltaje de entrada está cerca del de salida la eficiencia se acerca al 100 %. Tenga en cuenta que esta ecuación sólo se aplica cuando la diferencia de voltaje (entrada – salida) está sobre el umbral del voltaje de desconexión (típicamente menos de 1 Volt a corrientes bajas y hasta 1,5 V a corrientes altas). En tanto se encuentre en este régimen, el LDO regulará apropiadamente la entrada para producir una salida de bajo ruido y baja ondulación. Los LDOs más simples proporcionarán una salida de valor fijo, o la salida se podrá ajustar a lo que se necesite con resistencias externas. Dado que el voltaje de salida está fijado a algún valor, el incrementar el voltaje de entrada no continuará incrementando la salida, por lo que la eficiencia disminuirá.

Entonces, ¿cuál es el problema con los puntos anteriores? ¿Dónde se degrada repentinamente la eficiencia? Para ver esto tenemos que mirar el voltaje y la corriente de salida. Con un alto diferencial de entrada se produce una caída de la eficiencia y de la potencia de salida.

Voltaje de salida y corriente

Hay una especificación importante que debería observar en la hoja de datos de su LDO: la corriente de cortocircuito. Esta es efectivamente la corriente más alta que el dispositivo puede suministrar, y este valor variará con el diferencial del voltaje de entrada. Recuerde que el voltaje y la corriente de salida son fijos y no aumentarán, aunque se incremente el voltaje de entrada, entonces las mejores prácticas indican que la entrada debería estar ligeramente por sobre el valor de voltaje de salida. Es por eso que normalmente se ve que se utilizan LDOs para pequeñas reducciones tales como de 5 V a 3,3 V para los requisitos conocidos de corrientes.

Hay otro punto que es importante cuando se considera la corriente de cortocircuito y el diferencial de voltaje. La corriente de cortocircuito también disminuirá cuando el LDO sea operado con un muy alto diferencial de voltaje. Esto es bastante importante, porque algunos LDOs tales como un LDO con salida de 3.3 V, tendrán un voltaje de entrada permitido de hasta 30 V. Con un alto diferencial de voltaje de entrada la corriente de cortocircuito caerá y se limitará, lo que limitará la potencia total de salida.

El ejemplo de aquí abajo muestra la curva de corriente de cortocircuito vs el diferencial de entrada para el LT1086CM de Linear.

Corriente de cortocircuito del LT1086CM
Corriente de cortocircuito del LT1086CM

Este componente tiene un rango de salidas posibles con un límite alto de voltaje de entrada. Si lo está operando con una entrada alta (superior a 20 V de diferencial de voltaje), el componente no suministrará más que unos 100 mA. Esto es necesario que lo tenga en cuenta a la hora de seleccionar una estrategia de regulaciones para su placa, y también para determinar el potencial aumento de temperatura.

Calor y aumento de temperatura

Como la potencia perdida se disipa como calor, también debería considerarlo en su diseño. La potencia perdida en un LDO equivale a:

LDO efficiency temperature
Tasa de disipación de calor en un LDO (en Watts)

De nuevo, cuando los voltajes de entrada y salida se aproximan, la pérdida de potencia es mínima, pero funcionar a un gran diferencial con unos pocos amperes de corriente de salida puede conducir al sobrecalentamiento y a la falla.

A modo de ejemplo, para un típico valor de resistencia térmica juntura-ambiente de un LDO de 25ºC/W, es posible que el LDO se queme y falle. Veamos el ejemplo de arriba con el LT1086 operado con un diferencial de voltaje de 25 V para una carga que exige 1,5 A. Debido al límite de corriente a alta entrada, se genera calor a una tasa de 2,5 W, y, en este caso, esto equivale a una elevación de la temperatura de la carcasa a 62.5ºC. Si estuviera operando cerca del extremo más alto del rango de entrada baja con un diferencial de voltaje de solo 8 V a 1,5 amperes, disiparía 12 W, aumentando la temperatura a 300ºC. Este último caso causaría la falla del componente.

El veredicto: Los LDOs son estupendos si se utilizan correctamente

Si está utilizando un LDO asegúrese de permanecer dentro de los límites correctos de operación para asegurarse que el dispositivo trabaje como usted pretende. Si no le importa generar una gran cantidad de calor y operar a baja corriente, siéntase libre de operar su LDO a un alto voltaje de entrada con un gran diferencial de voltaje. Sólo prepárese para aceptar una eficiencia muy baja con ese arreglo. Si por el contrario, opera el dispositivo dentro de un rango de entradas determinado, que se pueden ver en algunos gráficos de la hoja de datos, obtendrá la eficiencia más alta posible con baja desconexión y alta disponibilidad de corriente.

Un buen arreglo es tener un regulador de conmutación funcionando como su regulador primario, con la salida conectada a un LDO. Los reguladores de conmutación son buenos porque utilizan circuitos reactivos para modular la potencia de salida en vez de un elemento resistivo, pero esto crea ruido de conmutación que se ve en la salida. Sin embargo, el uso del LDO proporciona regulación adicional en frecuencias de hasta 100 kHZ

Cadena de regulación de potencia con un convertidor reductor y un LDO.
Cadena de regulación de potencia con un convertidor reductor y un LDO.

La otra opción es transformar su voltaje de línea directamente a un valor justo por encima del voltaje de desconexión. Desafortunadamente, con componentes reales, no puede transformarlo a cualquier valor que desea: tendrá que utilizar algún componente genérico con una relación de transformación determinada. Conseguir llegar al voltaje específico de entrada que necesita para un LDO podría requerir un transformador a medida, por lo que debería tener esto en cuenta antes de intentar regular el voltaje de línea para utilizarlo con un LDO.

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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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