¿Qué hace a un regulador de voltaje de bajo ruido?

Creado: Agosto 13, 2021
Actualizado: Julio 1, 2024

Sus circuitos integrados necesitan una alimentación de CC estable para funcionar correctamente, y el bajo ruido es un requisito estándar para cualquier regulador de CC. En algunos casos, podría preocuparse por un par de dB adicionales de regulación de carga siempre que el ruido pueda ser filtrado, pero las aplicaciones que requieren un tiempo ultra preciso y componentes con rangos de voltaje de entrada muy estrechos necesitan un voltaje de CC muy estable con bajo contenido de ruido. Entonces, ¿cómo puede calificar los límites exactos del bajo ruido y qué tipos de reguladores son mejores para estas aplicaciones?

Si nunca ha revisado las especificaciones de los reguladores de voltaje, probablemente tenga que confiar en el lenguaje de marketing para encontrar un regulador de voltaje de bajo ruido para su próximo sistema. Sin embargo, el regulador en sí no es toda la historia, y hay otros componentes y estrategias de diseño necesarios para asegurar que un regulador proporcione una salida de CC de bajo ruido estable. Esto es lo que necesita saber sobre los diferentes tipos de reguladores de bajo ruido y cómo seleccionar el mejor componente para sus necesidades.

Fundamentos de los Reguladores de Voltaje de Bajo Ruido

Un regulador de voltaje de bajo ruido técnicamente puede ser construido a partir de cualquier topología; cómo reducir el ruido lo suficiente para su uso práctico es otro asunto que debe ser abordado por el diseñador del componente o circuito. El componente regulador que elija tendrá muchas especificaciones importantes, pero las siguientes tres le dirán básicamente todo lo que necesita saber sobre el manejo del ruido por parte de un regulador (tanto el generado internamente como el externo).

Relación de rechazo de fuente de alimentación (PSRR). En resumen, esta especificación le dice cuánto ruido conducido (en dB) de la fuente de alimentación aguas arriba es rechazado por el regulador. El amplificador de error en un LDO asegura un alto PSRR (similar a un convertidor conmutado), aunque son ineficientes si se requiere una alta reducción.
Regulación de salida. Esto puede medirse en dB con respecto a un valor nominal o como un porcentaje. Los reguladores verdaderamente de bajo ruido deberían tener un valor de regulación de salida muy bajo; los mejores componentes tendrán calificaciones de regulación por debajo del 1%. Esta especificación también podría definirse en términos de una salida RMS como una fracción del voltaje de salida nominal.
Densidad de potencia de ruido. Esto muestra la cantidad de ruido que esperaría ver en un rango de frecuencia arbitrario. El rango relevante puede tomarse desde CC hasta una frecuencia muy alta (100 kHz a 1 MHz), o hasta la frecuencia de conmutación para un regulador conmutado.

Las tres cantidades enumeradas anteriormente dependen de la frecuencia. Note que la densidad de potencia de ruido abarca todas las fuentes de ruido generadas internamente, incluyendo cualquier ruido de conmutación interno. Estas tres especificaciones necesitan ser consideradas juntas al seleccionar un regulador de voltaje de bajo ruido. Por ejemplo, la baja regulación de salida y la densidad de potencia de ruido no tienen sentido si la entrada tiene un PSRR de 0 dB. De manera similar, el PSRR no importa si el valor de regulación de salida es muy alto.

Construyendo un Regulador con Componentes Discretos

Otros circuitos de soporte en la salida de un regulador de voltaje o dentro de un circuito integrado regulador en sí pueden ayudar a reducir aún más el ruido en la salida del regulador. Por ejemplo, si estás construyendo tu propio regulador lineal a partir de componentes discretos, usar un multiplicador de capacitancia es una forma simple pero poderosa de reducir el ruido; esta topología se utiliza a menudo en reguladores de audio o RF de baja frecuencia sin la necesidad de componentes exóticos. Otro ejemplo es un regulador activo, que proporciona una reducción de ruido teóricamente perfecta.

Si quieres obtener una reducción de ruido aún mayor, necesitas filtrado adicional en la entrada/salida, o necesitas usar una solución integrada altamente ingenierizada. También deberías considerar cómo el filtrado en la salida y tu frecuencia de conmutación influyen en el contenido de ruido en tu regulador.

El papel de la frecuencia de conmutación y el filtrado

Si estás buscando un convertidor de conmutación, estarás agregando algo de ruido extra en la salida del regulador. En esencia, un regulador de conmutación cambia el rizado de baja frecuencia de una fuente de CA en ruido de alta frecuencia, que se distribuye a lo largo del ancho de banda de la señal PWM. Esto debería ilustrar la razón por la cual muchos componentes de reguladores de bajo ruido son LDOs; no tienen ningún ruido de conmutación. Echa un vistazo a este artículo para aprender más sobre el diseño de convertidores de conmutación y cómo elegir la mejor frecuencia para tu convertidor.

Ejemplo de espectro de ruido producido por un convertidor buck conducido en dos modos comparado con los límites de CISPR. [Fuente]

Finalmente, si necesitas un contenido de ruido muy bajo de tu regulador, se puede usar un filtro de paso bajo de orden superior para eliminar algo del contenido de ruido del dispositivo. Estos filtros pueden ser diseñados a partir de pasivos, aunque ten cuidado con tu diseño cuando trabajes con alta corriente con un regulador de conmutación; la acción de conmutación genera un campo magnético alto que puede inducir una corriente en la salida del filtro que luego se propaga aguas abajo a otros componentes.

Dos ejemplos de reguladores de voltaje de bajo ruido

STMicroelectronics, LD56100

Para aplicaciones de bajo voltaje y corriente moderada, la serie LD56100 de STMicroelectronics es un LDO de bajo ruido que proporciona hasta 5.5 V de salida con 1 A de corriente. Ofrece un muy bajo voltaje de caída de 120 mV con salida estabilizada usando un capacitor cerámico integrado. El PSRR está calificado en 70 dB (frecuencia de 1 kHz) con 0.13 mV RMS de ruido en la salida de 3 V.

Diagrama de bloques para el regulador LDO de bajo ruido LD56100. Fuente: Hoja de datos de LD56100.

Analog Devices LTC7151S

Un ejemplo de un regulador de voltaje de bajo costo y bajo ruido es el LTC7151S de Analog Devices. Este regulador de bajo ruido SMD proporciona una frecuencia de conmutación ajustable controlada por el usuario de 400 kHz a 3 MHz con un controlador PWM integrado, lo que lo convierte en una excelente opción para sistemas que necesitan un convertidor de conmutación de alta potencia con baja pérdida. El rango de entrada se extiende hasta 20 V, y la salida hasta 5.5 V con 15 A entregados a una carga. Se ofrecen dos modos de regulación de suministro, ambos mantienen la regulación de carga de salida por debajo del 0.25% en todo el rango de corriente de salida.

Circuito de aplicación del regulador de voltaje de bajo ruido LTC7151S. Fuente: Hoja de datos LTC7151S.

Otros Componentes para Sistemas de Potencia

Un regulador de voltaje de bajo ruido no llega a ser de bajo ruido por sí solo, y su sección reguladora requerirá otros componentes para proporcionar la salida de potencia deseada y el piso de ruido. Para una regulación muy precisa en sistemas de alta potencia, mantener la estabilidad y asegurar un bajo ruido simultáneamente es un gran desafío, requiriendo una gama de otros componentes de gestión de potencia. Aquí hay algunos otros componentes que podrías necesitar para tu producto:

Cuando estás buscando un regulador de voltaje de bajo ruido y otros componentes para tu nuevo sistema, puedes encontrar todos los componentes que necesitas con las características avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Al usar el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos actuales de precios de distribuidores, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo es libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de componentes PMIC para encontrar los componentes que necesitas.

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