Reguladores de Voltaje para Dispositivos IoT y Móviles

Las fuentes de alimentación y los sistemas de gestión de energía juegan un papel crítico en extender la vida útil de la batería y el rendimiento de un dispositivo móvil. Como parte crítica de estos sistemas, un regulador de voltaje está diseñado para mantener el voltaje de salida de una fuente de alimentación en un valor constante. Hay varios puntos a considerar al elegir un regulador de voltaje para un dispositivo móvil o IoT. Aunque esto a menudo implica un compromiso entre el ruido, la gestión térmica y las desviaciones de la regulación, encontrar el equilibrio adecuado entre estos puntos puede ayudar a asegurar que su próximo dispositivo móvil funcione como se desea.

Funcionalidad Deseada del Regulador de Voltaje

Cualquier regulador de voltaje necesita proporcionar algunas funciones específicas. Primero, el regulador necesita aumentar o disminuir el voltaje entre la batería y diferentes subcircuitos en el dispositivo. La funcionalidad de aumento es requerida por dispositivos de alto voltaje como los OLEDs, mientras que la función de reducción ayuda a reducir la energía consumida por circuitos CMOS digitales. Esto proporciona una vida útil de la batería más larga y permite nuevas características como cámaras adicionales y retroalimentación háptica sin un impacto significativo en el tamaño de la batería.

La gestión del ruido y el aislamiento de energía son críticos en dispositivos móviles para asegurar la integridad de la señal. Los esquemas de modulación RF de última generación para tasas de datos de Gbps imponen requisitos estrictos sobre la distorsión y los artefactos de interferencia. Esto manda que se preste atención cuidadosa a todas las fuentes de ruido, especialmente la EMI conducida y radiada de la fuente de alimentación.

En términos de aislamiento de energía, un buen regulador de voltaje también debe prevenir que los cambios en el voltaje de salida de la batería propaguen señales transitorias a través de la salida (como las introducidas por un amplificador de potencia RF pulsado), afectando así a los circuitos aguas abajo. Finalmente, cualquier regulador de voltaje para cualquier dispositivo móvil, ya sea un smartphone, dispositivo wearable, IoT u otro dispositivo, debe tener una huella pequeña y bajo costo mientras aún extiende la vida útil de la batería.

Topologías del Regulador de Voltaje

Reguladores lineales: Estos típicamente están compuestos por un generador de voltaje de referencia, amplificador de error, transistor de potencia, divisor resistivo para monitorear el voltaje de salida y capacitor de desacoplamiento para asegurar que el voltaje en un bus de potencia sea estable. Los reguladores de bajo dropout (LDO) basados en transistores pnp y pFET exhiben diferentes características de corriente en reposo durante el dropout, dependiendo de la polaridad del transistor. Los transistores pFET prácticamente no consumen corriente y no exhiben aumento en la corriente en reposo durante el dropout, mientras que los nFETs muestran un aumento en la corriente en reposo a medida que el voltaje de entrada se eleva y se acerca al voltaje de salida.

Las ventajas de los convertidores lineales son su bajo ruido y ripple, tamaño pequeño a mediano, y su baja complejidad y costo. Las desventajas incluyen operación de reducción de voltaje solamente, y tienen una eficiencia de baja a media, aunque esto depende de la corriente de carga, el voltaje de la batería y la disipación de calor.

Un regulador lineal. Figura en Los Fundamentos del Diseño y Aplicaciones de LDO. Disponible en Analog Devices

Reguladores de capacitor conmutado: También conocidos como convertidores de bomba de carga, estos utilizan capacitores y varios interruptores para proporcionar un voltaje de salida más alto o más bajo que el voltaje de entrada. Almacenan y transfieren energía desde la entrada hasta la salida en un capacitor volante conectado a interruptores digitales.

Las ventajas de los convertidores de bomba de carga incluyen alta eficiencia y baja EMI radiada en comparación con otros reguladores de voltaje. Esto se debe al uso de un capacitor para almacenar y transferir energía, lo que permite el uso de técnicas de conmutación suave para controlar los interruptores digitales. Estos convertidores no utilizan retroalimentación para lograr la regulación, confiando en cambio en el ciclo de trabajo del período de conmutación para compensar los cambios en el voltaje de salida. Estos controladores generalmente están restringidos a aplicaciones de baja potencia.

Diagramas de circuitos de regulador de capacitor conmutado y formas de onda de entrada/salida

Reguladores conmutados: Estos reguladores pueden aumentar (boost) o disminuir (buck) el voltaje de entrada; también son capaces de invertir su polaridad. El típico convertidor buck-boost consiste en una red de interruptores que genera una señal de CA, un filtro de paso bajo que pasa el componente de CC de esta señal a la salida, y una red de retroalimentación para regular el voltaje de salida cambiando el ciclo de trabajo o la frecuencia de la señal de CA.

Las características del voltaje de salida de un regulador conmutado dependen en gran medida de la calidad del filtro de paso bajo, que se implementa como un circuito LC. El ruido de ondulación del voltaje de salida y la eficiencia del regulador dependen en gran medida del tamaño del inductor, donde los inductores más grandes reducen la ondulación y la eficiencia del circuito debido a sus mayores pérdidas de energía a través de su resistencia en serie equivalente. Estos circuitos de regulador desperdician menos calor, pero generalmente son más complejos, más grandes y más costosos que sus contrapartes lineales.

Combinar reguladores lineales y de modo conmutado es una técnica común para generar múltiples voltajes de suministro en un dispositivo móvil. El diseñador de la fuente de alimentación necesita considerar las características de la fuente de energía (batería) y la carga para elegir la solución de circuito óptima para un subcircuito particular. Por ejemplo, a medida que los procesadores de dispositivos móviles se fabrican utilizando arquitecturas de transistores cada vez más finas (10 nm o menos), lo que reduce sus requisitos de voltaje y corriente de suministro, la corriente de reposo del circuito regulador se convierte en un porcentaje mayor de la corriente de carga y tiene un mayor impacto en la eficiencia del circuito.

Reguladores de Voltaje para Productos Móviles

Maxim Integrated, MAX8863

El regulador de voltaje lineal MAX8863 proporciona un voltaje de suministro más confiable (de 2.5 V a 6.5 V) con hasta 120 mA de corriente de salida en un miniatura paquete SOT23 de 5 pines. El dispositivo utiliza un transistor de paso PMOS, permitiendo que la corriente de suministro de 80 µA permanezca independiente de la carga. Estos dispositivos son ideales para equipos portátiles operados por baterías como teléfonos celulares u otros dispositivos IoT que operan con una variedad de estándares de señalización. Una red de divisores de resistencia externa también puede ser utilizada para ajustar el voltaje de salida:

Los dispositivos cuentan con operación en Modo Dual^™: su voltaje de salida está preestablecido... o puede ser ajustado con un divisor de resistencia externo. Otras características incluyen apagado de baja potencia, protección contra cortocircuitos, protección contra apagado térmico y protección contra inversión de batería. [Del datasheet de MAX8863]

El MAX8864, una variante del MAX8863, también incluye una función de descarga automática. Esta característica descarga activamente el voltaje de salida a tierra cuando el dispositivo se coloca en modo de apagado.

Diagrama de bloques funcional, de Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

A todos les encanta tomar selfies, y muchas personas necesitan teleconferenciar a través de sus laptops. Estas actividades, y dispositivos que hacen uso copioso de LEDs, requieren un regulador de voltaje que pueda proporcionar una salida estable para estos componentes particulares. El regulador de capacitor conmutado MAX1576 está diseñado para regular la iluminación trasera y el flash de la cámara con hasta 8 LEDs blancos en dispositivos móviles (paquete QFN delgado de 24 pines, 4 mm x 4 mm). Cuatro LEDs pueden ser alimentados hasta con 30 mA para iluminación trasera, mientras que los cuatro LEDs restantes en el grupo de flash pueden ser pulsados hasta 100 mA por LED:

El MAX1576 utiliza dos resistencias externas para establecer las corrientes LED de escala completa (100%) principales y de flash. Cuatro pines de control se utilizan para el atenuado de LEDs por control serial o lógica de 2 bits por grupo. ENM1 y ENM2 establecen los LEDs principales al 10%, 30%, o 100% de la escala completa. ENF1 y ENF2 establecen los LEDs de flash al 20%, 40%, o 100% de la escala completa. Además, conecte cualquiera de los pares de pines de control juntos para el control de atenuación por pulso serial de un solo cable.

Diagrama de pines y ejemplo de circuito con el regulador de capacitor conmutado MAX1576 (del datasheet de MAX1576)

Analog Devices, LT1738

El regulador de conmutación LT1738 de Analog Devices es un controlador DC/DC con control de la tasa de variación (slew rate) y ultra bajo ruido. Los reguladores de conmutación son conocidos por ser bastante ruidosos debido a la señal de conmutación PWM, pero el LT1738 utiliza tasas de variación controladas de voltaje y corriente en un interruptor MOSFET de canal N externo. Este dispositivo emite mucho menos ruido radiado intenso que otros reguladores de conmutación con una salida de potencia y huella similar, lo que lo hace una excelente opción para su uso en nuevos dispositivos móviles e IoT.

Las tasas de variación de corriente y voltaje pueden configurarse de manera independiente para optimizar el contenido armónico de las formas de onda de conmutación frente a la eficiencia. El LT1738 puede reducir la potencia armónica de alta frecuencia hasta en 40 dB con solo pequeñas pérdidas en eficiencia. El LT1738 utiliza una arquitectura de modo corriente optimizada para topologías de interruptor único... El oscilador interno puede sincronizarse con un reloj externo para una colocación más precisa de los armónicos de conmutación.

Diagrama de bloques del regulador de conmutación LT1738 (del datasheet del LT1738).

Tu próximo dispositivo móvil o IoT necesita conservar y gestionar adecuadamente la energía para extender su vida útil. Puedes lograrlo con el regulador de voltaje adecuado y otros componentes específicamente diseñados para aplicaciones móviles e IoT. Intenta usar nuestra guía de Selector de Partes para determinar la mejor opción para tu próximo producto.

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