O Que Torna um Regulador de Tensão de Baixo Ruído?

Criada: Agosto 13, 2021
Atualizada: Julho 1, 2024

Seus ICs precisam de energia DC estável para funcionar corretamente, e baixo ruído é um requisito padrão para qualquer regulador DC. Em alguns casos, você pode se preocupar com alguns dBs extras de regulação de carga, desde que o ruído possa ser filtrado, mas aplicações que exigem temporização ultra precisa e componentes com faixas de tensão de entrada muito estreitas precisam de tensão DC muito estável com baixo conteúdo de ruído. Então, como você pode qualificar os limites exatos de baixo ruído, e quais tipos de reguladores são melhores para essas aplicações?

Se você nunca analisou as especificações de reguladores de tensão, provavelmente terá que confiar na linguagem de marketing para encontrar um regulador de tensão de baixo ruído para o seu próximo sistema. No entanto, o regulador em si não é toda a história, e há outros componentes e estratégias de layout necessários para garantir que um regulador forneça uma saída DC de baixo ruído estável. Aqui está o que você precisa saber sobre diferentes tipos de reguladores de baixo ruído e como selecionar o melhor componente para suas necessidades.

Fundamentos do Regulador de Tensão de Baixo Ruído

Um regulador de tensão de baixo ruído pode tecnicamente ser construído a partir de qualquer topologia; como você consegue reduzir o ruído o suficiente para uso prático é outra questão a ser tratada pelo designer do componente ou circuito. O componente regulador que você escolher terá muitas especificações importantes, mas as três seguintes lhe dirão basicamente tudo o que você precisa saber sobre o manuseio de ruído pelo regulador (tanto gerado internamente quanto externo).

Razão de rejeição de fornecimento de energia (PSRR). Em resumo, esta especificação lhe diz quanto ruído conduzido (em dB) do fornecimento de energia a montante é rejeitado pelo regulador. O amplificador de erro em um LDO garante alta PSRR (semelhante a um conversor chaveado), embora sejam ineficientes se for necessária uma alta redução.
Regulação de saída. Isso pode ser medido em dB em relação a um valor nominal ou como uma porcentagem. Reguladores verdadeiramente de baixo ruído devem ter um valor de regulação de saída muito baixo; os melhores componentes terão classificações de regulação abaixo de 1%. Esta especificação também pode ser definida em termos de uma saída RMS como uma fração da tensão de saída nominal.
Densidade de potência de ruído. Isso mostra a quantidade de ruído que você esperaria ver em uma faixa de frequência arbitrária. A faixa relevante pode ser tomada de DC até uma frequência muito alta (100 kHz a 1 MHz), ou até a frequência de chaveamento para um regulador chaveado.

Todas as três quantidades listadas acima são dependentes da frequência. Note que a densidade de potência de ruído engloba todas as fontes de ruído geradas internamente, incluindo qualquer ruído de chaveamento interno. Essas três especificações precisam ser consideradas em conjunto ao selecionar um regulador de tensão de baixo ruído. Por exemplo, baixa regulação de saída e densidade de potência de ruído são insignificantes se a entrada tem 0 dB PSRR. Da mesma forma, PSRR não importa se o valor da regulação de saída é muito alto.

Construindo um Regulador a partir de Componentes Discretos

Outros circuitos de suporte na saída de um regulador de tensão ou dentro de um CI regulador em si podem ajudar a reduzir ainda mais o ruído na saída do regulador. Por exemplo, se você está construindo seu próprio regulador linear a partir de componentes discretos, usar um multiplicador de capacitância é uma maneira simples, mas poderosa de diminuir o ruído; essa topologia é frequentemente usada em reguladores de áudio ou RF de baixa frequência sem a necessidade de componentes exóticos. Outro exemplo é um regulador ativo, que fornece uma redução de ruído teoricamente perfeita.

Se você deseja obter uma redução de ruído ainda maior, você precisa de filtragem adicional na entrada/saída, ou precisa usar uma solução integrada altamente projetada. Você também deve considerar como a filtragem na saída e sua frequência de comutação influenciam o conteúdo de ruído no seu regulador.

O Papel da Frequência de Comutação e da Filtragem

Se você está procurando um conversor de comutação, estará adicionando um pouco mais de ruído à saída do regulador. Em essência, um regulador de comutação troca o ripple de baixa frequência de uma fonte AC por ruído de alta frequência, que é espalhado pela largura de banda do sinal PWM. Isso deve ilustrar a razão pela qual muitos componentes de reguladores de tensão de baixo ruído são LDOs; eles não têm nenhum ruído de comutação. Veja este artigo para aprender mais sobre o design de conversores de comutação e como escolher a melhor frequência para o seu conversor.

Exemplo de espectro de ruído produzido por um conversor buck operado em dois modos comparado com os limites da CISPR. [Fonte]

Finalmente, se você precisa de um conteúdo de ruído muito baixo do seu regulador, um filtro passa-baixa de ordem superior pode ser usado para remover algum conteúdo de ruído do dispositivo. Esses filtros podem ser projetados a partir de passivos, embora seja necessário ter cuidado com o layout ao trabalhar com alta corrente em um regulador de comutação; a ação de comutação gera um campo magnético alto que pode induzir uma corrente na saída do filtro, que então se propaga para outros componentes a jusante.

Dois Exemplos de Reguladores de Tensão de Baixo Ruído

STMicroelectronics, LD56100

Para aplicações de baixa tensão e corrente moderada, a série LD56100 da STMicroelectronics é um LDO de baixo ruído fornecendo até 5,5 V de saída com corrente de 1 A. Ele fornece uma tensão de queda muito baixa de 120 mV com saída estabilizada usando um capacitor cerâmico integrado. O PSRR é classificado em 70 dB (frequência de 1 kHz) com ruído de 0,13 mV RMS na saída de 3 V.

Diagrama de blocos para o regulador LDO de baixo ruído LD56100. Fonte: LD56100 datasheet.

Analog Devices LTC7151S

Um exemplo de um regulador de tensão de baixo custo e baixo ruído é o LTC7151S da Analog Devices. Este regulador SMD de baixo ruído oferece uma frequência de comutação ajustável controlada pelo usuário de 400 kHz a 3 MHz com um driver PWM integrado, tornando-o uma excelente escolha para sistemas que precisam de um conversor de comutação de alta potência com baixa perda. A faixa de entrada vai até 20 V, e a saída até 5,5 V com 15 A entregues à carga. São oferecidos dois modos de regulação de fornecimento, ambos mantendo a regulação de carga de saída abaixo de 0,25% em toda a faixa de corrente de saída.

Circuito de aplicação do regulador de tensão de baixo ruído LTC7151S. Fonte: Datasheet do LTC7151S.

Outros Componentes para Sistemas de Energia

Um regulador de tensão de baixo ruído não alcança baixo ruído por si só, e sua seção reguladora precisará de outros componentes para fornecer a saída de energia desejada e o piso de ruído. Para uma regulação muito precisa em sistemas de alta potência, manter a estabilidade e garantir baixo ruído simultaneamente é um grande desafio, exigindo uma gama de outros componentes de gerenciamento de energia. Aqui estão alguns outros componentes que você pode precisar para o seu produto:

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