Usando LDOs vs Reguladores Conmutados en tu PCB

Tanto como nos gustaría, la energía que suministramos a los dispositivos electrónicos no siempre es estable. Las fuentes de energía reales contienen ruido, pueden mostrar inestabilidad de energía o sufrir cortes inesperados. Afortunadamente, contamos con reguladores de energía para ayudar a prevenir algunos de estos problemas.

Para dispositivos de baja potencia, generalmente vemos dos tipos de reguladores de energía: un regulador de voltaje lineal (a veces llamado regulador de baja caída o LDO) o un regulador conmutado. Puedes combinar y emparejar estos en diferentes puntos a lo largo de tu bus de energía, pero aún queda la cuestión de elegir si usar LDO vs reguladores conmutados en tus diseños, y la diferencia entre regulador lineal vs regulador conmutado.

Si alguna vez te has preguntado cómo se toman estas decisiones y cuándo usar cada tipo de regulador, solo ten en cuenta que hay más en esta decisión que simplemente mirar el voltaje/corriente de entrada/salida. Sigue leyendo para aprender más sobre la selección de reguladores de voltaje lineales vs reguladores conmutados para tus diseños de baja potencia. Dado que estamos interesados en los diseños de PCB en este blog, discutiré brevemente qué necesita suceder en el diseño para soportar LDOs o reguladores conmutados.

Comparación entre Reguladores de Voltaje Lineales vs Reguladores Conmutados

Antes de adentrarnos en la disposición y diseño de componentes con estos tipos de reguladores de potencia, es mejor recordar cómo funciona cada uno de estos circuitos. Un esquemático de LDO es un convertidor de voltaje DC-DC lineal reductor, por lo tanto, es mejor compararlo con un convertidor buck. También existen reguladores lineales resistivos o reguladores en serie y shunt que utilizan transistores, pero dejaré estos de lado por el momento ya que no se utilizan a menudo en el bus de potencia en un PCB.

Regulador de Baja Caída (LDO)

Un LDO es un regulador lineal que se basa en un op-amp. El circuito opera comparando la salida del regulador y un voltaje de referencia (referencia de banda prohibida de silicio con salida de ~1.25 V) dentro de un bucle de retroalimentación. La topología básica se muestra a continuación. Note que se utiliza un transistor NPN en este diagrama, pero normalmente encontrará un MOSFET en circuitos reales.

Margen en un LDO

Los reguladores de bajo voltaje de caída tienen cierto "margen", también conocido como el voltaje de caída, que es un pequeño voltaje por encima del nominal de salida que determina si el componente se activará. Mientras que V(in) - V(out) > Margen, entonces el componente proporcionará el voltaje de salida nominal. El divisor de voltaje se utiliza para reducir el voltaje de entrada de modo que el op-amp pueda compararlo con el voltaje de referencia (V-Ref). A menos que estés construyendo un circuito LDO con componentes discretos, no necesitarás preocuparte por configurar un circuito op-amp y seleccionar R1/R2; estos están integrados en el componente.

Finalmente, C1 y C2 son capacitores de filtro que limpian los voltajes en la entrada y salida, respectivamente. Estos valores no afectarán el margen, aunque ayudarán a amortiguar el ruido en la entrada y salida. El op-amp establece la salida del regulador a un nivel deseado siempre que el voltaje de entrada esté por encima del margen para el regulador.

Convertidor Buck

Como se mencionó anteriormente, un circuito LDO se compara mejor con un convertidor buck ya que ambos son componentes reductores. El objetivo de cualquier convertidor conmutado es simple: producir un voltaje de salida estable, pero ajustable, modulando la corriente y el voltaje entregados a una carga con un elemento de conmutación. Normalmente, esto es un MOSFET de potencia impulsado con una señal PWM, aunque un regulador mucho más grande como un convertidor resonante LLC puede usar múltiples MOSFETs en paralelo para proporcionar una salida de alta corriente. En cualquier caso, todos los reguladores buck suprimirán las variaciones de baja frecuencia en el voltaje de entrada, pero la salida tendrá algo de ruido de alta frecuencia debido a la acción de conmutación del MOSFET, lo cual puede ser visto claramente en una simulación.

Comparación LDO vs Convertidor Buck

Entonces, ¿cuándo deberías usar cada uno de estos reguladores? Ambos reducen un voltaje de CC a un nivel útil mientras limpian el ruido, entonces, ¿no deberían ser intercambiables? De hecho, a veces son intercambiables, pero depende del nivel de potencia que necesites y las características de la fuente de alimentación. La tabla a continuación resume algunos de los diferentes aspectos de cada tipo de estos circuitos y sus ventajas.

Hay mucho que considerar en esta tabla, pero haré mi mejor esfuerzo para resumir algunos puntos aquí.

1. Los LDO son alternativas de bajo ruido a los reguladores conmutados. Son más simples de diseñar y tienden a costar menos.
2. Los LDO a veces se utilizan aguas abajo de los reguladores conmutados para reducir aún más el voltaje a un nivel bajo. De hecho, algunos componentes de reguladores conmutados incluyen un LDO en la salida; vea ADP5037 como ejemplo.
3. Los reguladores conmutados pueden proporcionar un control de voltaje muy preciso que solo requiere ajustar la frecuencia de conducción del PWM. En un regulador LDO, el control es pasivo.

Diseño de PCB para LDOs y Reguladores Conmutados

Este es un tema bastante profundo en el sentido de que la parte del diseño de PCB puede enfocarse en el circuito del regulador, el bus de potencia y las cargas aguas abajo. Hay dos directrices que prefiero seguir:

• Presta atención al ancho de traza requerido para soportar tu corriente deseada, mantén la caída de IR baja y la temperatura dentro de límites seguros. No tengas miedo de usar relleno de polígono cuando trabajes con alta corriente.
• Mantén las inductancias de bucle pequeñas. Esto significa mantener los componentes cerca uno del otro y trazar los caminos de retorno en el PCB para asegurarte de no crear un problema de EMI.

La imagen a continuación debería ilustrar lo que quiero decir. Este diseño es para un regulador conmutado que opera a 3 MHz. Notarás que la parte crítica, a saber, el bucle creado por L2 y los condensadores de filtro, tiene un camino de retorno circular y ajustado de vuelta al plano de tierra cercano. Esto ayuda a asegurar una baja emisión y recepción de EMI radiada. Los mismos principios se aplicarían a un circuito LDO, aunque en ese caso, nos preocupamos más por la recepción de EMI ya que no hay conmutación.

A menudo verás ejemplos de diseño en notas de aplicación para LDOs o convertidores conmutados. Ten cuidado con estos; pueden estar bien para manejar la corriente, pero puede haber un problema de EMI acechando en su diseño. Estos problemas de EMI en notas de aplicación a menudo provienen de caminos de retorno mal definidos o de no crear un diseño compacto con bajas inductancias de bucle. Mark Harris muestra un gran ejemplo de un diseño de PCB compacto para un regulador conmutado en un artículo reciente, echa un vistazo para ver algunas buenas pautas de un ingeniero de diseño experimentado.

Una vez que haya decidido entre reguladores de voltaje lineales vs reguladores conmutados en su diseño de PCB, utilice el mejor conjunto de herramientas CAD y características de gestión de componentes en Altium Designer para colocar y enrutar sus diseños. Cuando haya terminado su diseño y quiera liberar archivos a su fabricante, la plataforma Altium 365™ facilita la colaboración y compartir sus proyectos. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puede consultar la página del producto para una descripción de características más profunda o uno de los Seminarios Web Bajo Demanda.