Regolatori di tensione per dispositivi IoT e mobili

Le alimentazioni e i sistemi di gestione dell'energia svolgono un ruolo critico nell'estendere la durata della batteria e le prestazioni di un dispositivo mobile. Come parte critica di questi sistemi, un regolatore di tensione è progettato per mantenere costante il valore della tensione in uscita da un'alimentazione. Ci sono diversi punti da considerare quando si sceglie un regolatore di tensione per un dispositivo mobile o IoT. Sebbene ciò comporti spesso un compromesso tra rumore, gestione termica e deviazioni dalla regolazione, trovare il giusto equilibrio tra questi punti può aiutare a garantire che il tuo prossimo dispositivo mobile funzioni come desiderato.

Funzionalità Desiderate del Regolatore di Tensione

Qualsiasi regolatore di tensione deve fornire alcune funzioni specifiche. Prima di tutto, il regolatore deve aumentare o diminuire la tensione tra la batteria e i diversi sottocircuiti nel dispositivo. La funzionalità di step-up è richiesta dai dispositivi ad alta tensione come gli OLED, mentre la funzione di step-down aiuta a ridurre il consumo di energia dei circuiti CMOS digitali. Ciò garantisce una maggiore durata della batteria e consente nuove funzionalità come fotocamere aggiuntive e feedback aptico senza un impatto significativo sulla dimensione della batteria.

La gestione del rumore e l'isolamento dell'energia sono critici nei dispositivi mobili per garantire l'integrità del segnale. Gli schemi di modulazione RF all'avanguardia per tassi di dati Gbps pongono requisiti stringenti su distorsione e interferenze. Questi impongono che si presti attenzione a tutte le fonti di rumore, specialmente l'EMI condotto e irradiato dall'alimentazione.

In termini di isolamento dell'energia, un buon regolatore di tensione dovrebbe anche impedire che variazioni della tensione di uscita della batteria si propaghino in segnali transitori attraverso l'uscita (come quelli introdotti da un amplificatore di potenza RF pulsato), influenzando così i circuiti a valle. Infine, qualsiasi regolatore di tensione per qualsiasi dispositivo mobile, sia esso uno smartphone, dispositivo indossabile, IoT o altro dispositivo, deve avere un ingombro ridotto e un costo basso pur estendendo la durata della batteria.

Topologie dei Regolatori di Tensione

Regolatori lineari: Sono tipicamente composti da un generatore di tensione di riferimento, amplificatore di errore, transistor di potenza, divisore resistivo per monitorare la tensione di uscita e condensatore di disaccoppiamento per garantire la stabilità della tensione su un bus di alimentazione. I regolatori a bassa caduta (LDO) basati su transistor pnp e pFET mostrano caratteristiche di corrente a riposo diverse durante il dropout, a seconda della polarità del transistor. I transistor pFET praticamente non assorbono corrente e non mostrano un aumento della corrente a riposo durante il dropout, mentre gli nFET mostrano un aumento della corrente a riposo man mano che la tensione di ingresso aumenta e si avvicina alla tensione di uscita.

I vantaggi dei convertitori lineari sono il loro basso rumore e ripple, dimensioni piccole o medie, e la loro bassa complessità e costo. Gli svantaggi includono solo l'operazione di step-down, e hanno un'efficienza da bassa a media, anche se ciò dipende dalla corrente di carico, dalla tensione della batteria e dalla dissipazione del calore.

Un regolatore lineare. Figura tratta da The Fundamentals of LDO Design and Applications. Disponibile presso Analog Devices

Regolatori a capacità commutata: Conosciuti anche come convertitori a pompa di carica, utilizzano condensatori e diversi interruttori per fornire una tensione di uscita superiore o inferiore rispetto alla tensione di ingresso. Essi immagazzinano e trasferiscono energia dall'ingresso all'uscita in un condensatore volante connesso a interruttori digitali.

I vantaggi dei convertitori a pompa di carica includono un'alta efficienza e una bassa EMI irradiata rispetto ad altri regolatori di tensione. Questo è dovuto all'uso di un condensatore per l'immagazzinamento e il trasferimento dell'energia, che consente l'uso di tecniche di commutazione morbida per controllare gli interruttori digitali. Questi convertitori non utilizzano un feedback per ottenere la regolazione, ma si affidano invece al ciclo di lavoro del periodo di commutazione per compensare le variazioni della tensione di uscita. Questi controller sono solitamente limitati ad applicazioni di bassa potenza.

Diagrammi dei circuiti regolatori a capacità commutata e forme d'onda di ingresso/uscita

Regolatori a commutazione: Questi regolatori possono aumentare (boost) o diminuire (buck) la tensione di ingresso; sono inoltre capaci di invertirne la polarità. Il tipico convertitore buck-boost consiste in una rete di interruttori che genera un segnale AC, un filtro passa-basso che trasmette la componente DC di questo segnale all'uscita, e una rete di feedback per regolare la tensione di uscita cambiando il ciclo di lavoro o la frequenza del segnale AC.

Le caratteristiche della tensione di uscita di un regolatore a commutazione dipendono in gran parte dalla qualità del filtro passa-basso, che è implementato come un circuito LC. Il rumore di ripple della tensione di uscita e l'efficienza del regolatore dipendono in gran parte dalla dimensione dell'induttore, dove induttori più grandi riducono il ripple e l'efficienza del circuito a causa delle loro maggiori perdite di energia attraverso la loro resistenza serie equivalente. Questi circuiti regolatori dissipano meno calore, ma sono generalmente più complessi, più grandi e più costosi rispetto ai loro omologhi lineari.

Combinare regolatori lineari e a commutazione è una tecnica comune per generare molteplici tensioni di alimentazione in un dispositivo mobile. Il progettista dell'alimentazione deve considerare le caratteristiche della fonte di energia (batteria) e del carico per scegliere la soluzione di circuito ottimale per un particolare sottocircuito. Ad esempio, poiché i processori dei dispositivi mobili sono fabbricati utilizzando un'architettura di transistor sempre più fine (10 nm o meno), che riduce i loro requisiti di tensione e corrente di alimentazione, la corrente di quiescenza del circuito regolatore diventa una percentuale maggiore della corrente di carico e ha un impatto maggiore sull'efficienza del circuito.

Regolatori di Tensione per Prodotti Mobili

Maxim Integrated, MAX8863

Il regolatore di tensione lineare MAX8863 fornisce una tensione di alimentazione più affidabile (da 2,5 V a 6,5 V) con una corrente di uscita fino a 120 mA in un miniaturizzato pacchetto SOT23 a 5 pin. Il dispositivo utilizza un transistor di passaggio PMOS, permettendo alla corrente di alimentazione di 80 µA di rimanere indipendente dal carico. Questi dispositivi sono ideali per apparecchiature portatili alimentate a batteria come telefoni cellulari o altri dispositivi IoT che operano con una varietà di standard di segnalazione. Una rete di divisori di resistenza esterni può anche essere utilizzata per regolare la tensione di uscita:

I dispositivi presentano un funzionamento in Dual Mode^™: la loro tensione di uscita è preimpostata... o può essere regolata con un divisore di resistenza esterno. Altre caratteristiche includono lo spegnimento a bassa potenza, la protezione da cortocircuito, la protezione da spegnimento termico e la protezione da inversione di batteria. [Dal datasheet di MAX8863]

Il MAX8864, una variante del MAX8863, include anche una funzione di scarica automatica. Questa caratteristica scarica attivamente la tensione di uscita a terra quando il dispositivo è posto in modalità di spegnimento.

Diagramma a blocchi funzionale, da Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

Tutti amano fare selfie, e molte persone hanno bisogno di fare videoconferenze tramite i loro laptop. Queste attività, e dispositivi che fanno uso copioso di LED, richiedono un regolatore di tensione che possa fornire un'uscita stabile per questi componenti particolari. Il regolatore a capacità commutata MAX1576 è progettato per regolare la retroilluminazione e il flash della fotocamera con fino a 8 LED bianchi in dispositivi mobili (pacchetto QFN sottile a 24 pin, 4 mm x 4 mm). Quattro LED possono essere alimentati fino a 30 mA per la retroilluminazione, mentre i restanti quattro LED nel gruppo flash possono essere pulsati fino a 100 mA per LED:

Il MAX1576 utilizza due resistori esterni per impostare le correnti LED principali e del flash a piena scala (100%). Quattro pin di controllo sono utilizzati per la regolazione della luminosità dei LED tramite controllo seriale o logica a 2 bit per gruppo. ENM1 e ENM2 impostano i LED principali al 10%, 30% o 100% della scala completa. ENF1 e ENF2 impostano i LED del flash al 20%, 40% o 100% della scala completa. Inoltre, collegare una coppia di pin di controllo insieme per il controllo della regolazione della luminosità tramite un unico filo seriale.

Diagramma dei pin ed esempio di circuito con il regolatore a capacità commutata MAX1576 (dal datasheet di MAX1576)

Analog Devices, LT1738

Il regolatore di commutazione LT1738 di Analog Devices è un controller DC/DC con controllo della velocità di variazione (slew rate) e rumore ultra basso. I regolatori di commutazione sono noti per essere piuttosto rumorosi a causa del segnale di commutazione PWM, ma l'LT1738 utilizza velocità di variazione controllate di tensione e corrente in un interruttore MOSFET N-channel esterno. Questo dispositivo emette un rumore irradiato molto meno intenso rispetto ad altri regolatori di commutazione con simile potenza di uscita e dimensioni, rendendolo un'ottima scelta per l'uso in nuovi dispositivi mobili e IoT.

Le velocità di variazione di corrente e tensione possono essere impostate indipendentemente per ottimizzare il contenuto armonico delle forme d'onda di commutazione rispetto all'efficienza. L'LT1738 può ridurre la potenza armonica ad alta frequenza fino a 40 dB con solo piccole perdite di efficienza. L'LT1738 utilizza un'architettura a modalità corrente ottimizzata per topologie a singolo interruttore... L'oscillatore interno può essere sincronizzato con un orologio esterno per un posizionamento più accurato delle armoniche di commutazione.

Diagramma a blocchi del regolatore di commutazione LT1738 (dal datasheet LT1738).

Il tuo prossimo dispositivo mobile o IoT ha bisogno di conservare e gestire correttamente l'energia per estendere la sua durata utile. Puoi farlo con il regolatore di tensione giusto e altri componenti specificamente progettati per applicazioni mobili e IoT. Prova a utilizzare la nostra guida Selettore di Parti per determinare la migliore opzione per il tuo prossimo prodotto.

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