Regolatore buck vs regolatore LDO per CC, CA e RF: qual è la scelta migliore?

Quando è meglio usare un regolatore LDO e quando un regolatore buck? Sembra una domanda banale, eppure è difficile trovare una risposta definitiva. Alcuni degli aspetti più importanti da tenere in considerazione nella scelta del convertitore, riguardano il tipo di componenti alimentati, la corrente totale assorbita dal regolatore, e la tolleranza al calore di questi componenti.

In un precedente articolo, ho esaminato alcuni dei fattori che limitano l'efficienza dei regolatori LDO, in particolare la costruzione del componente e il modo in cui questo risponde a un'elevata tensione d’ingresso al di sopra del suo livello di dropout. Con i convertitori buck invece, l'aspetto da tenere in cospirazione riguarda il tasso di modulazione ON/OFF negli elementi di commutazione. Questi sono problemi complessi che riguardano la struttura dei MOSFET, e non è questo il momento di andare troppo a fondo sull'argomento. Vorrei invece esaminare alcuni casi in cui la scelta di un convertitore buck, rispetto a un LDO come stadio di uscita finale, può rappresentare una soluzione valida nella strategia di regolazione della potenza.

Breve confronto tra i convertitori buck e LDO

Quando si valuta se utilizzare un convertitore buck o un LDO per alcune parti del sistema o per alimentare l'intera scheda, è necessario pensare ai tipi di componenti da alimentare e al loro consumo energetico. Ecco gli elementi da prendere in considerazione quando si scelgono i componenti dei regolatori e durante la progettazione del circuito:

Ciascuno di questi aspetti svolge un ruolo importante in diversi tipi di circuiti. Per rendere più chiare queste differenze, diamo un'occhiata a tre sistemi classici: CC, CA (interamente analogico) e RF.

Circuiti CC

Lavorare in corrente continua è molto semplice, purché la tensione d’ingresso da regolare sia vicina alla tensione di uscita necessaria. Generalmente, quando si opera in CC, o nominalmente in CC con circuiti digitali, gli LDO rappresentano la scelta migliore per svariati motivi, ma solo se si opera a bassa corrente o con un differenziale di tensione al di sopra della tensione di dropout minimo. Considerando l'efficienza e il dropout di cui ho discusso in un articolo precedente, sono due i casi in cui i regolatori LDO vengono sfruttati al meglio:

1. Differenziale basso su una varietà di correnti. Operare ad alta corrente potrebbe generare molto calore, alzando notevolmente la temperatura del dispositivo.
2. Differenziale alto, ma solo a bassa corrente. Questo è anche un problema di efficienza e di dissipazione del calore. A correnti troppo elevate, infatti, si dissiperà anche troppo calore.

Utilizzando un LDO al di fuori di questi parametri si rischia di surriscaldare il dispositivo, aumentando il rischio di guasti o d’inottemperanza alle normative. È quindi meglio scegliere un convertitore buck, in particolare quando si lavora con un differenziale input-output elevato.

Quando si utilizza un processore digitale più veloce, come una delle varianti MSP430 o STM32, si potrebbero riscontrare problemi d’integrità dell'alimentazione se non si utilizza un piano di alimentazione, portando a fluttuazioni di tensione superiori a circa 100 mV osservate sulla linea di alimentazione. Tuttavia, queste fluttuazioni sono generalmente abbastanza contenute da non compromettere l'adempienza del regolatore LDO alle normative. Ma se si hanno più IC digitali in blocchi di circuiti diversi che assorbono una grande quantità di corrente, potrebbe essere necessario separare i componenti in diversi stadi in parallelo.

Circuiti analogici

Quando si vuole fornire alimentazione a un circuito analogico, anche un regolatore LDO può essere utile, dal momento che ha un'uscita a basso rumore. Io stesso ho usato regolatori LDO fino a pochi W di potenza in circuiti CC e analogici. Tuttavia, è stato necessario aggiungere un dissipatore di calore al package per dissipare il calore a causa della corrente e del differenziale elevati. I circuiti analogici sono complessi in quanto molto sensibili al rumore. Sarebbe quindi preferibile un regolatore LDO, poiché questi componenti forniscono in genere una reiezione del rumore superiore a 50-60 dB sulla potenza d'uscita. Se è necessario alimentare circuiti analogici di potenza superiore da un alimentatore CC (è una situazione poco comune), è allora preferibile scegliere un regolatore buck. Sarà però necessario implementare alcune delle strategie usate nei progetti per alimentatori RF.

Circuiti e componenti RF

I sistemi RF come gli amplificatori potrebbero essere alimentati con un LDO, anche se sarà necessario adattare il progetto per tener conto dei problemi di efficienza e riscaldamento. Per i sistemi a bassa potenza, come un modulo abilitato per il WiFi (ad esempio, ESP32 o SimpleLink), un regolatore LDO può andar bene, dal momento che non si utilizza una potenza troppo elevata. Se non è possibile risolvere il problema del riscaldamento, o se si ha bisogno di alta potenza per i segnali modulati, si dovrà invece utilizzare un convertitore buck.

Realizzare sistemi RF con un convertitore buck CC può essere impegnativo. La sfida principale è rappresentata dal rumore, anche se molti circuiti integrati RF (come un MCU con una radio integrata) presentano un LDO on-die come fonte di regolazione. L'obiettivo sarà quindi quello di ottenere un'alimentazione priva di rumore ai pin di alimentazione. È possibile utilizzare un filtro passivo sull'uscita, con un condensatore e un induttore più grandi per stabilizzare l'uscita CC.

Operare ad alta potenza e ad alte frequenze fornendo al contempo segnali modulati è un procedimento complesso, che richiede un articolo a sé stante. Ne discuteremo quindi in un prossimo post.

Passare da un alimentatore da banco a una scheda vera e propria

Questo non è necessario se si utilizza un alimentatore da banco regolato collegato direttamente a un modulo o a una scheda di sviluppo. Gli alimentatori da banco sono appositamente progettati per essere multifunzionali e fornire un basso rumore di commutazione attraverso una varietà di tecniche (funzionamento multifase, frequenze del PWM più elevate, ferriti di grandi dimensioni, ecc.). Tuttavia, per passare da un prototipo alla costruzione di una scheda personalizzata, servono strumenti capaci di aiutare nella costruzione degli schemi di regolazione della potenza e nel creare il layout PCB dei circuiti.

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