Oltre il Datasheet: Test nel Mondo Reale dei Regolatori di Tensione

Ultimamente, ho lavorato sodo per testare vari componenti elettronici. Probabilmente ti starai chiedendo perché non mi limito a leggere i datasheet per risparmiare tempo e denaro. La risposta è che i datasheet, più spesso di quanto dovrebbero, non contengono tutti i dettagli di cui potresti aver bisogno per scegliere saggiamente in base al tuo caso d'uso specifico. In alternativa, il datasheet potrebbe presentare un componente in modo più favorevole rispetto alle sue prestazioni nel mondo reale. Voglio sapere come si comportano le mie scelte di componenti nei test reali per i progetti che realizzo e costruisco.

In un post precedente, ho evidenziato i Top 10 Moduli Regolatori di Commutazione che hanno superato il mio processo di test. Questa volta, ti dirò come si sono comportati i regolatori di tensione lineari che ho testato.  

Regolatori Lineari vs. Regolatori di Commutazione

Come Funzionano i Regolatori Lineari

I regolatori di tensione lineari forniscono una conversione step-down da una tensione all'altra. Nel profondo sotto la loro guaina di resina epossidica, troverai un ingresso comparatore non invertente riferito a una specifica tensione di bandgap, un ingresso comparatore invertente che monitora la tensione di uscita e un transistor collegato all'uscita del comparatore. Man mano che la tensione di ingresso varia leggermente, il circuito comparatore ad alto guadagno regola la tensione di polarizzazione del transistor, influenzando immediatamente la tensione e la corrente di uscita. In breve, i regolatori di tensione lineari sono eccezionalmente bravi a produrre una tensione di uscita costante indipendentemente dalla tensione di ingresso. Questa rapida risposta conferisce loro un rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) molto alto, il che li rende perfetti per l'uso con circuiti a valle sensibili (sensori, ADC, ecc.).

Tuttavia, i regolatori lineari non sono perfetti e non sono dispositivi sfumati. Qualsiasi differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita viene dissipata all'interno del regolatore sotto forma di calore. Ad esempio, un'uscita di 5V @ 1A da un ingresso di 12V produrrà (12 V - 5 V)*(1 A) = 7 W di calore. 7 Watt di energia termica per 5 Watt di energia elettrica non è un grande scambio.

Come Funzionano i Regolatori di Commutazione

I regolatori di commutazione, o alimentatori a commutazione (SMPS), utilizzano la commutazione ad alta frequenza combinata con componenti di accumulo energetico come condensatori e induttori per ridurre o persino aumentare la tensione di ingresso. La loro caratteristica principale è l'efficienza, dove i regolatori lineari perdono efficienza man mano che l'intervallo di tensione da ingresso a uscita aumenta; i regolatori di commutazione possono mantenere un'alta efficienza su un'ampia gamma di tensioni e carichi.

I regolatori di commutazione funzionano accendendo e spegnendo rapidamente la tensione di ingresso al circuito; controllando il ciclo di lavoro (o il rapporto tra il tempo di accensione e spegnimento), la tensione di uscita può essere regolata. Mentre l'interruttore del regolatore è acceso, l'energia viene immagazzinata come campo magnetico in un induttore e poi rilasciata all'uscita come tensione regolata. I condensatori livellano questa tensione che sale e scende rapidamente, fornendo un'uscita relativamente liscia. Questo processo aumenta notevolmente l'efficienza rispetto a un regolatore lineare poiché l'energia in eccesso non viene introdotta nel circuito e non deve essere convertita in calore.

Sfortunatamente, ci sono anche alcuni svantaggi in questo approccio. Poiché i regolatori a commutazione operano ciclo per ciclo, non possono reagire ai cambiamenti di carico o di tensione in ingresso così rapidamente quanto può fare un regolatore lineare. Spesso sperimentano cali di tensione momentanei o picchi quando il carico cambia. Poiché la tensione in ingresso è collegata all'uscita attraverso un induttore durante il tempo di "on" dell'interruttore, il rumore nella fornitura di ingresso può passare all'uscita molto più facilmente rispetto a un regolatore lineare. Inoltre, l'azione di commutazione del regolatore introduce il proprio rumore; quando l'induttore immagazzina e rilascia energia, si verifica una fluttuazione di tensione alla frequenza di commutazione.

Come nota, esistono molteplici topologie di regolatori a commutazione, quindi questa è una panoramica molto generica e ampia del loro funzionamento.

Combinare Regolatori di Tensione a Commutazione e Lineari

Quando si ha una grande differenza di tensione tra l'ingresso e l'uscita e si necessita di un'alimentazione priva di rumore, si può utilizzare un SMPS in serie con un regolatore lineare. L'SMPS riduce la tensione di alimentazione a un livello di ingresso più adeguato per il regolatore lineare, che fornisce una linea di alimentazione a basso rumore. Ad esempio, supponiamo che si abbia un sensore da 3,3 V alimentato da una batteria da 12 V. In tal caso, si potrebbe utilizzare un regolatore di commutazione per scendere da 12 V a 4,5 V e poi un regolatore lineare per passare da 4,5 V a 3,3 V. È possibile vedere un esempio di questo in un circuito reale consultando il mio articolo e il video in cui ho costruito un'alimentazione a doppio binario da una batteria da 9V.

Low-Voltage Dropout (LDO)

La fisica impone dei vincoli: esiste un punto oltre il quale i regolatori di tensione lineari e a commutazione non possono più funzionare correttamente. Questo punto è solitamente dipendente in qualche modo dai requisiti di corrente del circuito a valle. Supponi di voler utilizzare un regolatore lineare LDO per fornire una tensione stabile a un dispositivo, come un microcontrollore, da una fonte a monte con una tensione decrescente, come una batteria. In tal caso, vorrai determinare il punto in cui il tuo circuito non funziona più, trovare un modo per rilevare quella tensione e spegnere il circuito prima che il funzionamento diventi inaffidabile.

Testare le Prestazioni nel Mondo Reale

78L09

Ho testato cinque regolatori di tipo 78L09 da 100 mA di Onsemi, STMicroelectronics e Texas Instruments. Mi aspettavo che i componenti fossero intercambiabili tra loro, dato che hanno tutti lo stesso numero di parte (vedi i risultati qui). Ed è una fortuna che lo abbia fatto, visto che certamente non offrono tutti le stesse prestazioni!

Tensione di Dropout

La tensione di dropout è la tensione di ingresso più bassa che consente ai moduli regolatori di tensione di funzionare come specificato.  Ciò significa che per un'uscita regolata a 9V, l'On Semi MC78L09ABPRAG richiede una tensione di ingresso minima che è 9 V + 1,63 V = 10,63 V.  C'è una differenza di 170 mV tra la tensione di dropout della migliore e della peggiore componente, il Texas Instruments UA78L09ACLPRE3 richiede 10,8 V per funzionare correttamente.  Ciò significa che devo o progettare le mie soluzioni per la componente peggiore possibile, o progettare per la migliore e non accettare sostituzioni.  Ma in entrambi i casi, sto lasciando qualcosa sul tavolo.  Se progetto per la componente peggiore possibile, disperderò energia extra sotto forma di calore, diminuendo il mio budget energetico e accorciando inutilmente la durata della batteria.  Se progetto per la componente migliore potrei incatenarmi a una spesa aggiuntiva, o peggio ancora, a una carenza di componenti.  

Se lavorassi per un'azienda dove il responsabile degli acquisti dicesse "È possibile sostituire il 78L09 di Texas Instruments con il 78L09 di OnSemi? Ci farebbe risparmiare circa 200 dollari in totale sulla produzione." La risposta dovrebbe essere un semplice "Sì", ma senza testare il componente alternativo potresti scoprire che il tuo circuito non funziona come previsto a seconda di quanto strettamente hai progettato in base alla tensione di dropout, all'emissione termica o alle prestazioni di rumore.

Efficacia

Controllando l'efficacia a diversi punti di tensione di ingresso, potresti notare una differenza dal 10 al 15 percento sotto carichi molto leggeri. Potrebbe non sembrare molto, ma se stai operando da una batteria o hai un case che non può dissipare facilmente l'energia termica nell'ambiente, quel leggero cambiamento potrebbe influire negativamente sulla durata e sul ciclo di lavoro del tuo progetto. 

Fortunatamente, quando raggiungiamo la valutazione di corrente massima di questi regolatori, sono tutti entro pochi percentuali l'uno dall'altro. Perdiamo il componente di Texas Instruments alla sua tensione nominale massima di 24 V. In confronto, gli altri quattro regolatori possono operare fino a 30 volt in ingresso.

Con un ingresso di 11,9V e un carico di 8 milliampere, ho misurato tra i 6 e i 18 millivolt di rumore su tutti i componenti. Quando arriviamo a un carico di 30 milliampere, ciascuno dei regolatori è entro un millivolt RMS di rumore l'uno dall'altro. Supponiamo che tu stia alimentando un dispositivo sensibile e a bassa corrente come un amplificatore ad alto guadagno con questi regolatori. In tal caso, la differenza di rumore tra i regolatori potrebbe non essere ideale se si passa a un pezzo di ricambio alternativo senza testarlo prima.

Sebbene non raccomanderei di far funzionare un regolatore lineare alla massima tensione di ingresso che può gestire, il rumore a 30 volt di ingresso può variare sostanzialmente tra i diversi produttori.

Quindi, quale regolatore dovresti scegliere? Ho scritto una query SQL molto lunga per aggregare tutti i dati dei test, evidenziare le cifre degne di nota e classificare i regolatori che ho testato. Le classifiche favoriscono una bassa tensione di dropout media, un'alta efficienza e un basso rumore.

Nelle posizioni uno e due, abbiamo il Microchip MCP1700 e MCP1702. Li ho testati nelle loro varianti da 3,3 e 5 volt, rispettivamente. Questi regolatori hanno alcuni dei più bassi valori di dropout di tensione tra tutti quelli che ho testato, portandoli a classificarsi molto bene. Anche le loro prestazioni in termini di rumore sono eccellenti, ma, come per i regolatori a commutazione che abbiamo esaminato l'ultima volta - hanno bisogno di un carico minimo per un funzionamento stabile; accade solo che sia molto più basso rispetto ai loro corrispettivi a commutazione. 

I dati sul rumore sono stati raccolti con il mio oscilloscopio della serie Rigol MSO5000, che ha un piano di rumore relativamente alto. In futuro, ho  intenzione di ritestare tutti i regolatori con il mio Rohde and Schwarz MXO44 o Keysight MXR, che hanno piani di rumore molto più bassi. 

L'efficienza è l'altro parametro chiave per la classificazione, e la serie Microchip MCP1700 si comporta molto bene... per i regolatori lineari. I grafici dell'efficienza mostrano chiaramente la relazione lineare tra tensione di ingresso ed efficienza.

Successivamente nella classifica, abbiamo il regolatore STMicroelectronics LF50CV, un regolatore da cinque volt e mezzo ampere. Il grafico potrebbe far sembrare che la tensione di dropout sia più alta rispetto al regolatore da cinque volt MCP1702. Tuttavia, questo regolatore può fornire il doppio della corrente - ai 250mA massimi del MCP1702, l'LF50CV è un interprete leggermente migliore per il dropout. Per quanto riguarda l'efficienza, è praticamente la stessa del MCP1702, come ci aspettavamo. 

I dati sul rumore sono abbastanza simili ai dati sul dropout. Guardando semplicemente il grafico sembra che l'LF50CV sia molto più rumoroso, ma è più una questione di tendenza a raddoppiare il carico. Ad esempio, con un'alimentazione di 8 volt e un carico di 250mA, il MCP1702 ha un rumore RMS di 3,79mV, mentre l'LF50CV è di 3,46mV con un carico di 270mA.

Passando al regolatore da un ampere e 3,3 volt Texas Instruments LM3940IT, il calo di tensione è leggermente migliore rispetto al MCP1700. Le cose diventano piuttosto interessanti guardando il grafico dell'efficienza. L'efficienza a carico leggero di questo regolatore diminuisce bruscamente, il primo tra i regolatori che abbiamo esaminato a mostrare questo forte calo. Nel complesso, è di qualche percento meno efficiente del MCP1700 una volta che l'efficienza raggiunge un punto lineare.

Il rumore del LM3940IT è altrettanto interessante, anche se sospetto di sapere il perché. Nel complesso, la prestazione in termini di rumore è eccezionale e molto stabile a carichi estremamente leggeri. Mi aspetto che i grandi picchi nel grafico siano errori di misurazione - nello specifico, l'inizio di uno spegnimento termico del regolatore. Ho collegato ognuno di questi regolatori a un enorme dissipatore di calore con pasta termica ad alte prestazioni e ventilatori su entrambi i lati... ma non è ancora sufficiente per dissipare il calore dal pacchetto per alcuni componenti. Il rumore medio del LM3940IT su tutte le tensioni e i carichi è il migliore tra tutti i regolatori testati, anche con questi strani picchi di rumore.

Al quinto posto, ma lontano dal fondo della classifica, troviamo un altro componente di Texas Instruments, il TL780-12KCS. Si tratta di un regolatore da 1,5 ampere con uscita a 12 volt. Data l'alta corrente e la tensione di uscita, mi aspetto una caduta di tensione ragionevolmente significativa rispetto ai componenti che abbiamo già esaminato. I dati non deludono - con un carico di 1,5 ampere, vorrete fornire a questo regolatore almeno 15 volt per avere un piccolo margine di varianza tra i componenti. Con quel carico, dovrete gestire 4,5 watt di calore sprecato! Non sorprende che il regolatore sia entrato in protezione termica quando alimentava un carico di 1,5 ampere da un ingresso di 30 volt. Tuttavia, non è stato il primo a raggiungere la protezione termica durante i test.

L'efficienza è quella che ci si aspetterebbe, a parte il brusco calo ai carichi più leggeri, proprio come abbiamo visto dall'ultimo componente TI. Si tratta di un regolatore molto economico, quindi posso capire perché si potrebbe scegliere al posto di un regolatore switching - ma se il rumore di uscita non è un problema, allora probabilmente costerà di più avere una gestione termica che scegliere un regolatore lineare di tipo sostitutivo switching.

Quindi, diamo un'occhiata al rumore perché se si sta considerando un regolatore come questo, non è certamente per la sua efficienza! C'è una leggera instabilità sotto i carichi più leggeri, ma questa scompare rapidamente. La sua prestazione in termini di rumore è relativamente consistente attraverso tutto il suo intervallo di carico.

Per concludere la nostra esplorazione dei regolatori lineari, torniamo alla domanda centrale: quando si dovrebbe usare un regolatore lineare piuttosto che uno switching? Come abbiamo visto, la risposta dipende da un equilibrio tra efficienza, rumore e gestione termica. I regolatori lineari sono la scelta prediletta per le applicazioni dove il basso rumore è cruciale, in particolare nei circuiti analogici sensibili. Tuttavia, non si possono ignorare gli svantaggi in termini di efficienza, specialmente sotto carichi elevati e significative differenze di tensione tra ingresso e uscita.

Il viaggio attraverso questi 35 regolatori lineari ha rivelato un panorama affascinante di varianze nelle prestazioni. Anche all'interno della stessa famiglia di componenti, abbiamo osservato differenze che potrebbero impattare significativamente sulle prestazioni e sulle considerazioni di progetto del vostro progetto. Questo sottolinea l'importanza dei test nel mondo reale e di non affidarsi esclusivamente alle specifiche dei datasheet.

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