Ottimizza l'efficienza del tuo regolatore LDO

Zachariah Peterson
|  Creato: September 12, 2021
Efficienza regolatore LDO

Se non vuoi scegliere un alimentatore da banco per il tuo circuito, dovrai scegliere un regolatore di potenza da posizionare sulla scheda. Proprio come qualsiasi altro componente, il tuo regolatore ha delle specifiche operative che è possibile visionare nel riepilogo del prodotto e delle specifiche più dettagliate che troverai nella scheda tecnica. Quelli che possono sembrare piccoli dettagli sono a volte fattori principali che determinano l’interazione del tuo componente con il resto del sistema.

I regolatori di potenza come i regolatori LDO sono semplici da posizionare e utilizzare. Sono letteralmente componenti plug and play. I più semplici LDO a uscita fissa richiedono appena 3 terminali e alcuni resistori esterni per essere utilizzati correttamente. Non è possibile garantire l'efficienza del regolatore LDO a un valore specifico, ma questo valore è correlato al limite di corrente a cui la scheda può accedere durante il funzionamento. Prima di collegare un ingresso ad alta tensione a un regolatore LDO, leggi queste linee guida per assicurarti di poter fornire energia sufficiente.

Cosa determina l'efficienza dell'LDO?

I regolatori LDO sono semplici e funzionano tutti secondo uno stesso principio: il componente riduce la tensione in ingresso verso l'uscita desiderata, mentre l'energia elettrica in eccesso viene dissipata sotto forma di calore. I regolatori LDO sono regolabili esternamente con un partitore di tensione, mentre saranno necessari alcuni condensatori di ingresso/uscita per garantire un filtraggio aggiuntivo. L'efficienza di un regolatore LDO è determinata da una semplice equazione:

Efficienza dei regolatori LDO
Equazione dell'efficienza LDO.

Quando l'ingresso è vicino alla tensione d'uscita, l'efficienza è vicina al 100%. È bene notare che questa equazione si applica solo quando il differenziale di tensione (uscita - ingresso) è al di sopra del livello di tensione di caduta (tipicamente meno di 1 V a bassa corrente e fino a 1,5 V ad alta corrente). In questo stato, l'LDO regolerà correttamente l'ingresso per produrre un'uscita a basso rumore e basso ripple. I regolatori LDO più semplici hanno un valore d'uscita fisso, o possono essere regolati con resistori esterni per soddisfare le necessità di progetto. Poiché la tensione d'uscita è fissa a un dato valore, l'aumento della tensione di ingresso non influirà sull'uscita, diminuendone evidentemente l'efficienza.

Qual è il problema allora? Quali sono le cause di una riduzione dell’efficienza? Per capirlo dobbiamo osservare la tensione e la corrente in uscita. Con un differenziale di tensione d'ingresso elevato si verifica un calo dell'efficienza e della potenza in uscita.

Tensione in uscita e corrente

C'è una specifica importante che è bene cercare nella scheda tecnica del regolatore LDO: la corrente di cortocircuito. Questa corrisponde alla corrente massima che il dispositivo può fornire e questo valore varia a seconda del differenziale di tensione in ingresso. Ricorda, la tensione e la corrente di uscita sono fisse e non aumenteranno con l'aumento della tensione in ingresso. Per questo è necessario mantenere la tensione d'ingresso leggermente al di sopra del valore di quella d'uscita. È per questo che i regolatori LDO vengono spesso utilizzati per piccoli step-down, come da 5 V a 3,3 V.

C'è un altro punto da tenere a mente quando si considerano la corrente di cortocircuito e il differenziale di tensione. La corrente di cortocircuito diminuisce quando il regolatore LDO viene pilotato con un differenziale di tensione molto elevato. Questo è importante dal momento che alcuni LDO, come un LDO con uscita a 3,3 V, hanno una tolleranza di tensione di ingresso fino a 30 V. Con un differenziale di tensione d’ingresso elevato, la corrente di cortocircuito diminuisce e diventa limitata, limitando anche l'energia totale erogata.

L'esempio seguente mostra la corrente di cortocircuito rispetto alla curva differenziale di ingresso per il regolatore LT1086CM di Linear.

Efficienza dell’LDO e corrente di cortocircuito
Corrente di cortocircuito del regolatore LT1086CM.

Questo componente ha una gamma di uscite potenziali con un limite elevato sulla tensione di ingresso. Se stai utilizzando un input elevato (superiore a 20 V di differenziale), il componente non produrrà più di circa 100 mA. Questo deve essere preso in considerazione quando si sceglie una strategia di regolazione per la propria scheda, così come per determinare possibili aumenti di temperatura.

Aumento del calore e della temperatura

Poiché la potenza persa viene dissipata sotto forma di calore, è importante prendere in considerazione l'aumento di temperatura all'interno. La potenza persa in un regolatore LDO è pari a:

Efficienza e temperatura di un regolatore LDO
Tasso di dissipazione del calore in un regolatore LDO (in W).

Anche in questo caso, quando le tensioni di ingresso e di uscita sono vicine, la perdita di potenza è minima, ma il funzionamento a un differenziale elevato con pochi ampere di corrente d'uscita può portare a surriscaldamento e guasti.

Per fare un esempio, un tipico valore di resistenza termica giunzione-ambiente per un LDO è di circa 25 gradi C/W. È possibile che l'LDO si consumi e si guasti. Diamo un'occhiata all'esempio precedente, con l'LT1086 pilotato con un differenziale di tensione di 25 V per un carico che richiede 1,5 A. A causa dell'ingresso elevato di corrente, viene generato calore a una velocità di circa 2,5 W, pari a un aumento della temperatura del case di circa 62,5 gradi centigradi. Se si operasse nei limiti massimi della gamma di ingresso low input con una differenza di tensione di soli 8 V a 1,5 A, si dissiperebbero circa 12 W, con un aumento della temperatura di circa 300 gradi centigradi. Questo comporterebbe il guasto del componente.

Il verdetto: i regolatori LDO sono ottimi se usati correttamente

Se vuoi usare un regolatore LDO, assicurati di restare entro i limiti operativi per assicurarti che il dispositivo funzioni come previsto. Se non è un problema generare molto calore e operare a bassa corrente, sentiti invece libero di far funzionare il tuo LDO ad alta tensione d’ingresso con un grande differenziale di tensione, ma preparati ad un'efficienza molto ridotta. Utilizzando invece il dispositivo nel range previsto, che è possibile verificare attraverso i grafici all'interno della scheda tecnica, si otterrà la massima efficienza possibile, con un dropout ridotto e un'elevata corrente disponibile.

Una soluzione efficace è quella di posizionare un regolatore a commutazione come regolatore principale, con l'uscita collegata a un LDO. I regolatori a commutazione sono utili perché utilizzano circuiti reattivi invece di elementi resistivi per modulare la potenza, ma questo crea rumore di commutazione in uscita. Tuttavia, l'utilizzo del regolatore LDO fornisce una regolazione aggiuntiva fino a frequenze di ~100 kHz.

Catena di regolazione della potenza con un convertitore buck e LDO
Catena di regolazione della potenza con convertitore buck e LDO.

Un'altra opzione è quella di regolare direttamente la tensione di linea fino a un valore appena superiore alla tensione di dropout. Sfortunatamente, con componenti reali, non è possibile trasformare la tensione così facilmente, ma è necessario utilizzare un componente standard con un rapporto di spire specifico. Raggiungere la tensione di ingresso necessaria per un regolatore LDO potrebbe richiedere un trasformatore personalizzato, ed è bene tenerlo a mente prima di provare a regolare la tensione di linea per il regolatore LDO.

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Sull'Autore

Sull'Autore

Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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