Utilizzo di LDO rispetto ai regolatori switching nel tuo PCB

Per quanto ci piacerebbe, l'energia che forniamo all'elettronica non è sempre stabile. Le vere fonti di alimentazione contengono rumore, possono mostrare instabilità di potenza o interruzioni improvvise. Fortunatamente, abbiamo i regolatori di tensione per aiutare a prevenire alcuni di questi problemi.

Per i dispositivi a bassa potenza, generalmente vediamo due tipi di regolatori di tensione: un regolatore di tensione lineare (a volte chiamato regolatore a bassa caduta o LDO) o un regolatore switching. È possibile combinare questi due tipi in diversi punti lungo il bus di alimentazione, ma rimane comunque la questione di scegliere se utilizzare LDO o regolatori switching nei propri progetti, e la differenza tra regolatore lineare e regolatore switching.

Se ti sei mai chiesto come vengono prese queste decisioni e quando utilizzare ogni tipo di regolatore, sappi che c'è più di questa scelta che semplicemente guardare la tensione/corrente di ingresso/uscita. Continua a leggere per saperne di più sulla selezione di regolatori di tensione lineari vs regolatori switching per i tuoi progetti a bassa potenza. Poiché questo blog è interessato ai layout PCB, discuterò brevemente cosa è necessario fare nel layout per supportare LDO o regolatori switching.

Confronto tra Regolatori di Tensione Lineari e Regolatori Switching

Prima di addentrarci nell'organizzazione dei componenti e nel layout con questi tipi di regolatori di tensione, è meglio ricordare come funziona ognuno di questi circuiti. Uno schema di un LDO è un convertitore di tensione DC-DC lineare step-down, quindi è meglio paragonarlo a un convertitore buck. Esistono anche regolatori lineari resistivi o regolatori in serie e shunt che utilizzano transistor, ma per il momento li lascerò da parte poiché non sono spesso utilizzati sul bus di alimentazione in un PCB.

Regolatore a Bassa Caduta di Tensione (LDO)

Un LDO è un regolatore lineare basato su un op-amp. Il circuito funziona confrontando l'uscita del regolatore e una tensione di riferimento (riferimento a banda proibita di silicio con uscita di ~1,25 V) all'interno di un anello di retroazione. La topologia di base è mostrata di seguito. Nota che in questo diagramma è utilizzato un transistor NPN, ma normalmente troverai un MOSFET nei circuiti reali.

Headroom in un LDO

I regolatori di tensione a bassa caduta hanno un certo "margine", noto anche come tensione di dropout, che è una piccola tensione al di sopra dell'uscita nominale che determina se il componente si attiverà. Finché V(in) - V(out) > Margine, allora il componente fornirà la tensione di uscita nominale. Il divisore di tensione viene utilizzato per ridurre la tensione di ingresso in modo che l'op-amp possa confrontarla con la tensione di riferimento (V-Ref). A meno che non stiate costruendo un circuito LDO con componenti discreti, non dovrete preoccuparvi di configurare un circuito op-amp e selezionare R1/R2; questi sono integrati nel componente.

Infine, C1 e C2 sono condensatori di filtro che puliscono le tensioni in ingresso e in uscita, rispettivamente. Questi valori non influenzeranno il margine, sebbene aiuteranno a smorzare il rumore in ingresso e in uscita. L'op-amp imposta l'uscita del regolatore a un livello desiderato finché la tensione di ingresso è al di sopra del margine per il regolatore.

Convertitore Buck

Come è stato menzionato sopra, un circuito LDO è meglio paragonato a un convertitore buck poiché entrambi sono componenti step-down. L'obiettivo di qualsiasi convertitore switching è semplice: produrre una tensione di uscita stabile, ma regolabile, modulando la corrente e la tensione fornite a un carico con un elemento di commutazione. Normalmente si tratta di un MOSFET di potenza pilotato con un segnale PWM, sebbene un regolatore molto più grande come un convertitore LLC risonante possa utilizzare più MOSFET in parallelo per fornire un'uscita ad alta corrente. In ogni caso, tutti i regolatori buck sopprimeranno le variazioni di bassa frequenza nella tensione di ingresso, ma l'uscita avrà del rumore ad alta frequenza a causa dell'azione di commutazione del MOSFET, che può essere chiaramente visto in una simulazione.

Confronto LDO vs Convertitore Buck

Quindi, quando dovresti usare ciascuno di questi regolatori? Entrambi riducono una tensione DC a un livello utile pur eliminando il rumore, quindi non dovrebbero essere interscambiabili? In realtà, a volte lo sono, ma dipende dal livello di potenza di cui hai bisogno e dalle caratteristiche della fonte di alimentazione. La tabella qui sotto riassume alcuni degli aspetti differenti di ciascun tipo di questi circuiti e i loro vantaggi.

C'è molto da considerare in questa tabella, ma farò del mio meglio per riassumere alcuni punti qui.

1. Gli LDO sono alternative a basso rumore ai regolatori di commutazione. Sono più semplici da progettare e tendono a costare meno.
2. Gli LDO sono talvolta utilizzati a valle dei regolatori di commutazione per ridurre ulteriormente la tensione a un livello basso. Infatti, alcuni componenti dei regolatori di commutazione includono un LDO sull'uscita; vedi ADP5037 come esempio.
3. I regolatori di commutazione possono fornire un controllo della tensione molto preciso che richiede solo l'aggiustamento della frequenza di guida PWM. In un regolatore LDO, il controllo è passivo.

Layout PCB per LDO e Regolatori di Commutazione

Questo è un argomento piuttosto approfondito in quanto la parte del layout PCB può concentrarsi sul circuito del regolatore, sul bus di alimentazione e sui carichi a valle. Ci sono due linee guida che preferisco seguire:

• Prestare attenzione alla larghezza della traccia richiesta per supportare la corrente desiderata, mantenere bassa la caduta IR e mantenere la temperatura entro limiti sicuri. Non avere paura di utilizzare il riempimento poligonale quando si lavora con una corrente elevata.
• Mantenere piccole le induttanze di loop. Ciò significa mantenere i componenti vicini tra loro e tracciare i percorsi di ritorno nel PCB per assicurarsi di non creare un problema di EMI.

L'immagine qui sotto dovrebbe illustrare ciò che intendo. Questo layout è per un regolatore di commutazione che opera a 3 MHz. Noterai che la parte critica, ovvero il loop creato da L2 e i condensatori di filtro, ha un percorso di ritorno circolare stretto verso il vicino piano di massa. Questo aiuta a garantire basse emissioni e ricezioni di EMI irradiate. Gli stessi principi si applicherebbero a un circuito LDO, anche se in quel caso ci preoccupiamo di più della ricezione di EMI poiché non c'è commutazione.

Spesso vedrai esempi di layout nelle note applicative per LDO o convertitori di commutazione. Fai attenzione con questi; potrebbero andare bene per gestire la corrente, ma potrebbe esserci un problema di EMI nascosto nel loro layout. Questi problemi di EMI nelle note applicative spesso derivano da percorsi di ritorno mal definiti o dal mancato tentativo di creare un layout compatto con basse induttanze di loop. Mark Harris mostra un ottimo esempio di layout PCB compatto per un regolatore di commutazione in un articolo recente, dai un'occhiata per vedere alcune buone linee guida da un ingegnere di layout esperto.

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