Reguladores de Tensão para Dispositivos IoT e Móveis

Fontes de alimentação e sistemas de gestão de energia desempenham um papel crucial na extensão da vida útil da bateria e no desempenho de dispositivos móveis. Como parte essencial desses sistemas, um regulador de tensão é projetado para manter a tensão de saída de uma fonte de alimentação em um valor constante. Existem vários pontos a considerar ao escolher um regulador de tensão para um dispositivo móvel ou IoT. Embora isso muitas vezes envolva um compromisso entre ruído, gestão térmica e desvios de regulação, encontrar o equilíbrio certo entre esses pontos pode ajudar a garantir que seu próximo dispositivo móvel opere conforme desejado.

Funcionalidade Desejada do Regulador de Tensão

Qualquer regulador de tensão precisa fornecer algumas funções específicas. Primeiro, o regulador precisa aumentar ou diminuir a tensão entre a bateria e diferentes subcircuitos no dispositivo. A funcionalidade de aumento é necessária por dispositivos de alta tensão como OLEDs, enquanto a função de redução ajuda a diminuir o consumo de energia por circuitos CMOS digitais. Isso proporciona uma vida útil da bateria mais longa e possibilita novos recursos como câmeras adicionais e feedback tátil sem um impacto significativo no tamanho da bateria.

O gerenciamento de ruído e a isolação de energia são críticos em dispositivos móveis para garantir a integridade do sinal. Esquemas de modulação RF de última geração para taxas de dados de Gbps colocam requisitos rigorosos sobre distorção e artefatos de interferência. Isso exige que uma atenção cuidadosa seja dada a todas as fontes de ruído, especialmente EMI conduzida e irradiada da fonte de alimentação.

Em termos de isolação de energia, um bom regulador de tensão também deve impedir que mudanças na tensão de saída da bateria propaguem sinais transientes através da saída (como aqueles introduzidos por um amplificador de potência RF pulsado), afetando assim os circuitos a jusante. Finalmente, qualquer regulador de tensão para qualquer dispositivo móvel, seja ele um smartphone, dispositivo vestível, IoT ou outro dispositivo, deve ter um tamanho pequeno e baixo custo enquanto ainda prolonga a vida útil da bateria.

Topologias de Regulador de Tensão

Reguladores lineares: Estes são tipicamente compostos por um gerador de tensão de referência, amplificador de erro, transistor de potência, divisor resistivo para monitorar a tensão de saída e capacitor de desacoplamento para garantir que a tensão em um barramento de energia seja estável. Reguladores de baixa queda (LDO) baseados em transistores pnp e pFET exibem características de corrente quiescente diferentes durante a queda, dependendo da polaridade do transistor. Transistores pFET praticamente não consomem corrente e não exibem aumento na corrente quiescente durante a queda, enquanto os nFETs exibem um aumento na corrente quiescente à medida que a tensão de entrada sobe e se aproxima da tensão de saída.

As vantagens ou conversores lineares são seu baixo ruído e ripple, tamanho pequeno a médio, e sua baixa complexidade e custo. As desvantagens incluem operação apenas de redução, e eles têm eficiência de baixa a média, embora isso dependa da corrente de carga, tensão da bateria e dissipação de calor.

Um regulador linear. Figura em The Fundamentals of LDO Design and Applications. Disponível em Analog Devices

Reguladores de capacitor comutado: Também conhecidos como conversores de bomba de carga, esses utilizam capacitores e vários interruptores para fornecer uma tensão de saída maior ou menor que a tensão de entrada. Eles armazenam e transferem energia da entrada para a saída em um capacitor voador conectado a interruptores digitais.

As vantagens dos conversores de bomba de carga incluem alta eficiência e baixa EMI irradiada em comparação com outros reguladores de tensão. Isso se deve ao uso de um capacitor para armazenar energia e transferir, o que permite o uso de técnicas de comutação suave para controlar os interruptores digitais. Esses conversores não usam feedback para alcançar a regulação, dependendo em vez disso do ciclo de trabalho do período de comutação para compensar as mudanças na tensão de saída. Esses controladores geralmente são restritos a aplicações de baixa potência.

Diagramas de circuito do regulador de capacitor comutado e formas de onda de entrada/saída

Reguladores comutados: Esses reguladores podem aumentar (boost) ou diminuir (buck) a tensão de entrada; eles também são capazes de inverter sua polaridade. O típico conversor buck-boost consiste em uma rede de interruptores que gera um sinal AC, um filtro passa-baixa que passa o componente DC deste sinal para a saída, e uma rede de feedback para regular a tensão de saída alterando o ciclo de trabalho ou a frequência do sinal AC.

As características da tensão de saída de um regulador comutado dependem em grande parte da qualidade do filtro passa-baixa, que é implementado como um circuito LC. O ruído de ripple da tensão de saída e a eficiência do regulador dependem em grande parte do tamanho do indutor, onde indutores maiores reduzem o ripple e a eficiência do circuito devido às suas maiores perdas de energia através de sua resistência série equivalente. Esses circuitos de regulador desperdiçam menos calor, mas geralmente são mais complexos, maiores e mais caros do que seus equivalentes lineares.

Combinar reguladores lineares e de modo comutado é uma técnica comum para gerar múltiplas tensões de alimentação em um dispositivo móvel. O projetista da fonte de alimentação precisa considerar as características da fonte de energia (bateria) e da carga para escolher a solução de circuito ótima para um subcircuito específico. Por exemplo, à medida que os processadores de dispositivos móveis são fabricados usando arquitetura de transistores progressivamente mais fina (10 nm ou menos), o que reduz seus requisitos de tensão e corrente de alimentação, a corrente quiescente do circuito regulador torna-se uma porcentagem maior da corrente de carga e tem um maior impacto na eficiência do circuito.

Reguladores de Tensão para Produtos Móveis

Maxim Integrated, MAX8863

O regulador de tensão linear MAX8863 fornece uma tensão de alimentação mais confiável (de 2,5 V a 6,5 V) com até 120 mA de corrente de saída em um pacote miniatura de 5 pinos SOT23. O dispositivo utiliza um transistor de passagem PMOS, permitindo que a corrente de alimentação de 80 µA permaneça independente da carga. Esses dispositivos são ideais para equipamentos portáteis operados por bateria, como telefones celulares ou outros dispositivos IoT que operam com uma variedade de padrões de sinalização. Uma rede de divisores de resistência externa também pode ser usada para ajustar a tensão de saída:

Os dispositivos apresentam operação em Modo Duplo^™: sua tensão de saída é pré-definida... ou pode ser ajustada com um divisor de resistência externo. Outras características incluem desligamento de baixa potência, proteção contra curto-circuito, proteção contra desligamento térmico e proteção contra inversão de bateria. [Do datasheet do MAX8863]

O MAX8864, uma variante do MAX8863, também inclui uma função de descarga automática. Esta característica descarrega ativamente a tensão de saída para o terra quando o dispositivo é colocado em modo de desligamento.

Diagrama de blocos funcional, da Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

Todo mundo adora tirar selfies, e muitas pessoas precisam fazer teleconferências por meio de seus laptops. Essas atividades, e dispositivos que fazem uso copioso de LEDs, requerem um regulador de tensão que possa fornecer uma saída estável para esses componentes específicos. O regulador de capacitor comutado MAX1576 é projetado para regular a iluminação de fundo e o flash da câmera com até 8 LEDs brancos em dispositivos móveis (pacote QFN fino de 24 pinos, 4 mm x 4 mm). Quatro LEDs podem ser acionados com até 30 mA para iluminação de fundo, enquanto os quatro LEDs restantes no grupo de flash podem ser pulsados com até 100 mA por LED:

O MAX1576 usa dois resistores externos para definir as correntes de LED principais e de flash em escala completa (100%). Quatro pinos de controle são usados para o dimmer dos LEDs por controle serial ou lógica de 2 bits por grupo. ENM1 e ENM2 definem os LEDs principais para 10%, 30% ou 100% da escala completa. ENF1 e ENF2 definem os LEDs de flash para 20%, 40% ou 100% da escala completa. Além disso, conecte um par de pinos de controle juntos para controle de dimmer serial de fio único.

Diagrama de pinos e exemplo de circuito com o regulador de capacitor comutado MAX1576 (do datasheet do MAX1576)

Analog Devices, LT1738

O regulador de comutação LT1738 da Analog Devices é um controlador DC/DC com controle de taxa de variação (slew rate) e ruído ultra baixo. Os reguladores de comutação são conhecidos por serem bastante ruidosos devido ao sinal de comutação PWM, mas o LT1738 utiliza taxas de variação controladas de tensão e corrente em um interruptor MOSFET de canal N externo. Este dispositivo emite muito menos ruído radiado intenso do que outros reguladores de comutação com saída de potência e dimensões similares, tornando-o uma excelente escolha para uso em novos dispositivos móveis e IoT.

As taxas de variação de corrente e tensão podem ser definidas independentemente para otimizar o conteúdo harmônico das formas de onda de comutação versus eficiência. O LT1738 pode reduzir a potência harmônica de alta frequência em até 40 dB com apenas pequenas perdas de eficiência. O LT1738 utiliza uma arquitetura de modo de corrente otimizada para topologias de interruptor único...O oscilador interno pode ser sincronizado a um relógio externo para um posicionamento mais preciso dos harmônicos de comutação.

Diagrama de blocos do regulador de comutação LT1738 (do datasheet do LT1738).

Seu próximo dispositivo móvel ou IoT precisa conservar e gerenciar adequadamente a energia para estender seu tempo de vida útil. Você pode fazer isso acontecer com o regulador de tensão certo e outros componentes especificamente projetados para aplicações móveis e IoT. Experimente usar nosso guia Seletor de Peças para determinar a melhor opção para o seu próximo produto.

Não perca artigos como este! Mantenha-se atualizado com nossos últimos artigos inscrevendo-se em nossa newsletter!