Utilisation de LDOs par rapport aux régulateurs à découpage dans votre PCB

Aussi bien que nous le souhaiterions, l'énergie que nous fournissons aux appareils électroniques n'est pas toujours stable. Les sources d'énergie réelles contiennent des bruits, elles peuvent présenter une instabilité de puissance, ou subir des coupures inattendues. Heureusement, nous disposons de régulateurs de puissance pour aider à prévenir certains de ces problèmes.

Pour les dispositifs à faible puissance, nous voyons généralement deux types de régulateurs de puissance : un régulateur de tension linéaire (parfois appelé régulateur à faible chute de tension ou LDO) ou un régulateur à découpage. Vous pouvez combiner ces deux types à différents points le long de votre bus d'alimentation, mais il reste encore à choisir entre l'utilisation de LDO ou de régulateurs à découpage dans vos conceptions, et la différence entre régulateur linéaire et régulateur à découpage.

Si vous vous êtes déjà demandé comment ces décisions sont prises et quand utiliser chaque type de régulateur, sachez qu'il y a plus à prendre en compte dans cette décision que simplement regarder la tension/courant d'entrée/sortie. Continuez à lire pour en savoir plus sur la sélection de régulateurs de tension linéaires vs régulateurs à découpage pour vos conceptions à faible puissance. Comme nous nous intéressons aux agencements de PCB sur ce blog, je discuterai brièvement de ce qui doit se passer dans l'agencement pour supporter les LDO ou les régulateurs à découpage.

Comparaison entre Régulateurs de Tension Linéaires et Régulateurs à Découpage

Avant de se pencher sur l'agencement des composants et la mise en page avec ces types de régulateurs de tension, il est bon de se rappeler comment chacun de ces circuits fonctionne. Un schéma de LDO est un convertisseur de tension DC-DC linéaire à abaissement, il est donc préférable de le comparer à un convertisseur buck. Il existe également des régulateurs linéaires résistifs ou des régulateurs en série et en dérivation qui utilisent des transistors, mais je vais les laisser de côté pour le moment car ils ne sont pas souvent utilisés sur le bus d'alimentation dans un PCB.

Régulateur à Faible Chute de Tension (LDO)

Un LDO est un régulateur linéaire basé sur un ampli-op. Le circuit fonctionne en comparant la sortie du régulateur et une tension de référence (référence de bande interdite de silicium avec une sortie d'environ 1,25 V) au sein d'une boucle de rétroaction. La topologie de base est montrée ci-dessous. Notez qu'un transistor NPN est utilisé dans ce diagramme, mais vous trouverez normalement un MOSFET dans les circuits réels.

Marge dans un LDO

Les régulateurs de tension à faible chute (LDO) possèdent une certaine "marge", également connue sous le nom de tension de chute, qui est une petite tension au-dessus de la sortie nominale déterminant si le composant sera activé. Tant que V(in) - V(out) > Marge, alors le composant fournira la tension de sortie nominale. Le diviseur de tension est utilisé pour réduire la tension d'entrée afin que l'amplificateur opérationnel puisse la comparer à la tension de référence (V-Ref). À moins que vous ne construisiez un circuit LDO à partir de composants discrets, vous n'aurez pas à vous soucier de configurer un circuit d'amplificateur opérationnel et de sélectionner R1/R2 ; ces éléments sont intégrés dans le composant.

Enfin, C1 et C2 sont des condensateurs de filtrage qui nettoient les tensions sur l'entrée et la sortie, respectivement. Ces valeurs n'affecteront pas la marge, bien qu'elles aideront à atténuer le bruit sur l'entrée et la sortie. L'amplificateur opérationnel fixe la sortie du régulateur à un niveau souhaité tant que la tension d'entrée est au-dessus de la marge pour le régulateur.

Convertisseur Buck

Comme mentionné précédemment, un circuit LDO est mieux comparé à un convertisseur buck puisqu'ils sont tous les deux des composants abaisseurs. L'objectif de tout convertisseur à découpage est simple : produire une tension de sortie stable, tout en étant ajustable, en modulant le courant et la tension délivrés à une charge avec un élément de commutation. Il s'agit normalement d'un MOSFET de puissance commandé par un signal PWM, bien qu'un régulateur beaucoup plus grand, comme un convertisseur LLC résonant, puisse utiliser plusieurs MOSFETs en parallèle pour fournir une sortie de courant élevé. Dans tous les cas, tous les régulateurs buck supprimeront les variations de tension d'entrée à basse fréquence, mais la sortie aura du bruit à haute fréquence en raison de l'action de commutation du MOSFET, ce qui peut être clairement vu dans une simulation.

Comparaison LDO vs Convertisseur Buck

Alors, quand devriez-vous utiliser chacun de ces régulateurs ? Ils abaissent tous les deux une tension DC à un niveau utile tout en éliminant le bruit, alors ne devraient-ils pas être interchangeables ? En réalité, ils le sont parfois, mais cela dépend du niveau de puissance dont vous avez besoin et des caractéristiques de la source d'alimentation. Le tableau ci-dessous résume certains des différents aspects de chaque type de ces circuits et leurs avantages.

Il se passe beaucoup de choses dans ce tableau, mais je vais faire de mon mieux pour résumer quelques points ici.

1. Les LDO sont des alternatives à faible bruit aux régulateurs à découpage. Ils sont plus simples à concevoir et ont tendance à coûter moins cher.
2. Les LDO sont parfois utilisés en aval des régulateurs à découpage pour réduire davantage la tension à un niveau bas. En fait, certains composants de régulateur à découpage incluent un LDO en sortie ; voir ADP5037 pour un exemple.
3. Les régulateurs à découpage peuvent fournir un contrôle de tension très précis qui nécessite seulement d'ajuster la fréquence de conduite PWM. Dans un régulateur LDO, le contrôle est passif.

Disposition PCB pour LDOs et Régulateurs à Découpage

C'est un sujet plutôt approfondi en ce sens que la partie disposition PCB peut se concentrer sur le circuit régulateur, le bus d'alimentation et les charges en aval. Il y a deux directives que je préfère suivre :

• Faites attention à la largeur de piste nécessaire pour supporter votre courant souhaité, maintenez la chute de tension IR faible et gardez la température dans des limites sûres. N’ayez pas peur d’utiliser le remplissage polygonal lorsque vous travaillez à un courant élevé.
• Gardez les inductances de boucle petites. Cela signifie garder les composants proches les uns des autres et tracer les chemins de retour dans le PCB pour vous assurer que vous ne créez pas un problème d'EMI.

L'image ci-dessous devrait illustrer ce que je veux dire. Cette disposition est pour un régulateur à découpage fonctionnant à 3 MHz. Vous remarquerez que la partie critique, à savoir la boucle créée par L2 et les condensateurs de filtrage, possède un chemin de retour circulaire serré vers la masse proche. Cela aide à assurer une faible émission et réception d'EMI rayonnées. Les mêmes principes s'appliqueraient à un circuit LDO, bien que dans ce cas, nous nous préoccupons davantage de la réception des EMI puisqu'il n'y a pas de commutation.

Vous verrez souvent des exemples de disposition dans les notes d'application pour les LDOs ou les convertisseurs à découpage. Soyez prudent avec ceux-ci ; ils peuvent être tout à fait adéquats pour gérer le courant, mais il peut y avoir un problème d'EMI caché dans leur disposition. Ces problèmes d'EMI dans les notes d'application proviennent souvent de chemins de retour mal définis ou de l'échec à créer une disposition compacte avec de faibles inductances de boucle. Mark Harris montre un excellent exemple d'une disposition PCB compacte pour un régulateur à découpage dans un article récent, jetez un œil pour voir quelques bonnes directives d'un ingénieur de disposition expérimenté.

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