Usando LDOs vs Reguladores Chaveados em Sua PCB

Tanto quanto gostaríamos, a energia que fornecemos aos eletrônicos nem sempre é estável. As fontes de energia reais contêm ruído, podem apresentar instabilidade de energia ou sofrer quedas inesperadas. Felizmente, temos reguladores de energia para ajudar a prevenir alguns desses problemas.

Para dispositivos de baixa potência, geralmente vemos dois tipos de reguladores de energia: um regulador de tensão linear (às vezes chamado de regulador de baixa queda ou LDO) ou um regulador chaveado. Você pode misturar e combinar esses dois tipos em diferentes pontos ao longo do seu barramento de energia, mas ainda existe a questão de escolher entre usar LDOs ou reguladores chaveados em seus projetos, e a diferença entre regulador linear vs regulador chaveado.

Se você já se perguntou como essas decisões são tomadas e quando usar cada tipo de regulador, saiba que há mais nessa decisão do que simplesmente olhar para a tensão/corrente de entrada/saída. Continue lendo para aprender mais sobre a seleção de reguladores de tensão linear vs reguladores chaveados para seus projetos de baixa potência. Como estamos interessados em layouts de PCB neste blog, vou discutir brevemente o que precisa acontecer no layout para suportar LDOs ou reguladores chaveados.

Comparação entre Reguladores de Tensão Linear vs Reguladores Chaveados

Antes de entrar na disposição de componentes e layout com esses tipos de reguladores de tensão, é melhor relembrar como cada um desses circuitos funciona. Um esquemático LDO é um conversor de tensão DC-DC linear redutor, portanto, é melhor compará-lo a um conversor buck. Existem também reguladores lineares resistivos ou reguladores de série e shunt que usam transistores, mas vou deixá-los de lado por enquanto, pois não são frequentemente usados no barramento de energia em uma PCB.

Regulador de Baixa Queda (LDO)

Um LDO é um regulador linear baseado em um op-amp. O circuito opera comparando a saída do regulador e uma tensão de referência (referência de banda de silício com saída de ~1,25 V) dentro de um loop de feedback. A topologia básica é mostrada abaixo. Note que um transistor NPN é usado neste diagrama, mas normalmente você encontrará um MOSFET em circuitos reais.

Margem de Operação em um LDO

Reguladores de tensão de baixa queda (LDO) possuem algum "headroom", também conhecido como a tensão de queda, que é uma pequena tensão acima da saída nominal que determina se o componente será ativado. Contanto que V(in) - V(out) > Headroom, então o componente fornecerá a tensão de saída nominal. O divisor de tensão é usado para reduzir a tensão de entrada de modo que o op-amp possa compará-la com a tensão de referência (V-Ref). A menos que você esteja construindo um circuito LDO a partir de componentes discretos, você não precisará se preocupar em configurar um circuito op-amp e selecionar R1/R2; esses já estão integrados ao componente.

Finalmente, C1 e C2 são capacitores de filtro que limpam as tensões na entrada e na saída, respectivamente. Esses valores não afetarão o headroom, embora ajudem a amortecer ruídos na entrada e na saída. O op-amp define a saída do regulador para um nível desejado contanto que a tensão de entrada esteja acima do headroom para o regulador.

Conversor Buck

Como mencionado anteriormente, um circuito LDO é melhor comparado a um conversor buck, pois ambos são componentes redutores de tensão. O objetivo de qualquer conversor chaveado é simples: produzir uma tensão de saída estável, porém ajustável, modulando a corrente e a tensão fornecidas a uma carga com um elemento de comutação. Isso normalmente é um MOSFET de potência acionado com um sinal PWM, embora um regulador muito maior, como um conversor LLC ressonante, possa usar vários MOSFETs em paralelo para fornecer uma saída de alta corrente. De qualquer forma, todos os reguladores buck vão suprimir variações de baixa frequência na tensão de entrada, mas a saída terá algum ruído de alta frequência devido à ação de comutação do MOSFET, o que pode ser claramente visto em uma simulação.

Comparação LDO vs Conversor Buck

Então, quando você deve usar cada um desses reguladores? Ambos reduzem uma tensão DC para um nível útil enquanto limpam ruídos, então, eles não deveriam ser intercambiáveis? Na verdade, às vezes são intercambiáveis, mas depende do nível de potência necessário e das características da fonte de energia. A tabela abaixo resume alguns dos diferentes aspectos de cada tipo desses circuitos e suas vantagens.

Há muito acontecendo nesta tabela, mas farei o meu melhor para resumir alguns pontos aqui.

1. LDOs são alternativas de baixo ruído aos reguladores de comutação. Eles são mais simples de projetar e tendem a custar menos.
2. LDOs são às vezes usados a jusante de reguladores de comutação para reduzir ainda mais a tensão para um nível baixo. De fato, alguns componentes de reguladores de comutação incluem um LDO na saída; veja ADP5037 como exemplo.
3. Reguladores de comutação podem fornecer um controle de tensão muito preciso que só requer ajustar a frequência de condução do PWM. Em um regulador LDO, o controle é passivo.

Layout de PCB para LDOs e Reguladores de Comutação

Este é um tópico bastante profundo, pois a parte do layout da PCB pode focar no circuito do regulador, no barramento de energia e nas cargas a jusante. Há duas diretrizes que prefiro seguir:

• Preste atenção na largura da trilha necessária para suportar a corrente desejada, mantenha a queda de IR baixa e a temperatura dentro de limites seguros. Não tenha medo de usar preenchimento poligonal quando estiver trabalhando com alta corrente.
• Mantenha as indutâncias de loop pequenas. Isso significa manter os componentes próximos uns dos outros e traçar caminhos de retorno na PCB para garantir que você não está criando um problema de EMI.

A imagem abaixo deve ilustrar o que quero dizer. Este layout é para um regulador de comutação operando a 3 MHz. Você notará que a parte crítica, ou seja, o loop criado por L2 e os capacitores de filtro, tem um caminho de retorno circular apertado de volta ao plano de terra próximo. Isso ajuda a garantir baixa emissão e recepção de EMI radiada. Os mesmos princípios se aplicariam a um circuito LDO, embora nesse caso, nos preocupemos mais com a recepção de EMI, pois não há comutação.

Você frequentemente verá exemplos de layout em notas de aplicação para LDOs ou conversores de comutação. Tenha cuidado com eles; eles podem ser adequados para lidar com a corrente, mas pode haver um problema de EMI escondido em seu layout. Esses problemas de EMI em notas de aplicação geralmente se originam de caminhos de retorno mal definidos ou da falha em criar um layout compacto com baixas indutâncias de loop. Mark Harris mostra um ótimo exemplo de um layout de PCB compacto para um regulador de comutação em um artigo recente, dê uma olhada para ver algumas boas diretrizes de um engenheiro de layout experiente.

Uma vez que você tenha decidido entre reguladores de tensão lineares vs reguladores chaveados no layout da sua PCB, utilize o melhor conjunto de ferramentas CAD e recursos de gerenciamento de componentes em Altium Designer para posicionar e rotear seus designs. Quando você terminar seu design e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365™ facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos. Nós apenas arranhamos a superfície do que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Você pode verificar a página do produto para uma descrição mais aprofundada das funcionalidades ou um dos Webinars Sob Demanda.