Principes de base des LDO et utilisation pour étendre la durée de vie des batteries dans les dispositifs portables et corporels

Les dispositifs électroniques modernes sont de plus en plus compacts et portables. Les montres connectées, les traceurs d'activités, les systèmes de sécurité et les dispositifs Internet des objets (IoT) fonctionnent de plus en plus sur batteries. Ils ont donc besoin de régulateurs de puissance haut rendement qui exploitent chaque milliwatt de puissance de chaque charge pour que le dispositif fonctionne plus longtemps. Ils doivent également fonctionner avec une élévation de température minimale. Les régulateurs linéaires traditionnels et les régulateurs de puissance à découpage ne peuvent pas facilement atteindre les rendements requis pour ces dispositifs portables. De plus, les régulateurs de puissance à découpage souffrent également du bruit et des tensions transitoires.

Le régulateur à faible chute de tension (LDO), l'ajout le plus récent à la gamme de régulateurs linéaires et à découpage, tire parti du fonctionnement à très faibles chutes de tension dans le régulateur pour améliorer le rendement et réduire la dissipation thermique. Les variantes de LDO sont bien adaptées aux applications basse à moyenne puissance, pour lesquelles elles sont fournies en boîtiers compacts mesurant seulement 3 millimètres (mm) × 3 mm x 0,6 mm. Des versions avec des tensions de sortie fixes ou ajustables sont disponibles, ainsi que certaines versions avec une commande marche-arrêt via une ligne d'activation de sortie.

Cet article examine les bases des régulateurs à faible chute de tension et leurs principales caractéristiques par rapport aux régulateurs de puissance linéaires et à découpage traditionnels. Il présente ensuite des dispositifs LDO de Diodes Incorporated et montre comment ils sont appliqués.

Présentation des régulateurs LDO

La fonction d'un régulateur de tension est de maintenir une tension de sortie constante en présence de variations de tension de charge et de source. Les circuits de régulateurs de tension traditionnels utilisent des conceptions linéaires ou à découpage. Les régulateurs LDO appartiennent à la classe des régulateurs linéaires mais fonctionnent avec de très basses tensions entre les bornes d'entrée et de sortie. Comme tous les régulateurs de tension linéaires, le LDO est basé sur une boucle de commande de rétroaction (Figure 1).

Figure 1 : Régulateur LDO basé sur un circuit de rétroaction commandé en tension. Le dispositif de régulation série, qui peut être un transistor bipolaire PMOS, NMOS ou PNP, agit comme une résistance commandée en tension. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Le régulateur LDO détecte la tension de sortie par le biais d'un diviseur de tension résistif qui met à l'échelle le niveau de sortie. La tension de sortie mise à l'échelle est appliquée à un amplificateur d'erreur, où elle est comparée à une tension de référence. L'amplificateur d'erreur commande le dispositif de régulation série pour maintenir la tension désirée à la borne de sortie. La différence entre la tension d'entrée et la tension de sortie est la tension de relâchement, qui apparaît dans le dispositif de régulation.

Le dispositif de régulation série dans un LDO agit comme une résistance à tension variable. Le dispositif de régulation série peut être un semi-conducteur à oxyde métallique à canal P (PMOS), un semi-conducteur à oxyde métallique à canal N (NMOS) ou un transistor bipolaire PNP. Les dispositifs PMOS et PNP peuvent être amenés à saturation, ce qui minimise la tension de relâchement. Dans le cas d'un transistor à effet de champ (FET) PMOS, la tension de relâchement est approximativement égale à la résistance à l'état passant (R_DSON) du canal multipliée par le courant de sortie. Bien que chacun de ces dispositifs présente des avantages et des inconvénients, le dispositif PMOS s'avère avoir le coût de mise en œuvre le plus bas. Les régulateurs LDO à sortie positive série AP7361EA de Diodes Incorporated utilisent un dispositif de régulation PMOS et atteignent une tension de relâchement d'environ 360 millivolts (mV) pour une sortie de 3,3 volts (V) à un courant de charge de 1 ampère (A), et une précision de tension de ±1 % (Figure 2).

Figure 2 : Tracés de la tension de relâchement du LDO 3,3 V série AP7361EA en fonction du courant de sortie à trois températures différentes. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Le tracé de la tension de relâchement en fonction du courant de sortie montre une pente constante pour chaque température, ce qui indique sa nature résistive. La tension de relâchement dépend dans une certaine mesure de la température, le niveau augmentant avec la température. Notez que la tension de relâchement du LDO est beaucoup plus faible que celle d'un régulateur de puissance linéaire classique, qui aurait une tension de relâchement d'environ 2 V.

Remarquez que le condensateur de sortie dans la Figure 1 est représenté avec sa résistance série équivalente (ESR) inhérente, qui affecte la stabilité du régulateur. Le condensateur sélectionné doit avoir une résistance ESR inférieure à 10 ohms (Ω) afin de garantir la stabilité sur toute la plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C. Les types de condensateurs suggérés incluent les condensateurs céramique multicouches (MLCC), les E-CAP à solide et les condensateurs au tantale avec des valeurs supérieures à 2,2 microfarads (mF).

Le courant de repos, I_Q, représente le courant tiré de la source d'alimentation par le LDO sans charge. Le courant de repos alimente les circuits internes du LDO, comme l'amplificateur d'erreur et le diviseur de tension de sortie. Dans les dispositifs alimentés par batterie, le courant de repos affecte le taux de décharge de la batterie et il est généralement prévu pour être le plus bas possible. La série AP7361EA de Diodes Incorporated a un courant I_Q typique de 68 mA.

LDO série AP7361EA

La série AP7361EA comprend trois configurations de circuit alternatives, comme illustré à la Figure 3.

Figure 3 : La série AP7361EA présente des dispositifs à tension de sortie fixe ou ajustable, avec ou sans commande d'activation. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

La série AP7361EA inclut des versions avec des tensions de sortie fixes ou ajustables. Les versions à tension fixe ont des diviseurs de tension internes et offrent des niveaux de tension de sortie de 1,0 V, 1,2 V, 1,5 V, 1,8 V, 2,5 V, 2,8 V ou 3,3 V. Les dispositifs à sortie ajustable requièrent un diviseur de tension externe fourni par l'utilisateur et ont une plage de tensions de sortie de 0,8 V à 5 V. La spécification de précision de tension de sortie pour toutes les versions est de ± 1 %, avec une plage de tensions d'entrée de 2,2 V à 6 V.

Les versions fixes ou ajustables peuvent inclure une ligne de commande d'activation (EN). L'AP7361EA est activé en plaçant la broche EN à l'état haut et désactivé en la plaçant à l'état bas. Si cette fonction n'est pas utilisée, la broche EN doit être liée à la broche d'entrée (IN) pour que la sortie du régulateur reste active à tout moment. Le temps de réponse pour la ligne d'activation est d'environ 200 microsecondes (ms) pour l'activation et d'environ 50 ms pour la désactivation.

L'autre différence significative entre les dispositifs AP7361EA est le boîtier physique. Ils sont disponibles en boîtiers U-DFN3030-8 (Type E), SOT89-5, SOT223, TO252 (DPAK et SO-8EP.

Le Tableau 1 présente une comparaison de quelques exemples de produits AP7361EA, y compris les versions fixes (AP7361EA-33DR-13, AP7361EA-10ER-13) et ajustables (AP7361EA-FGE-7, AP7361EA-SPR-13).

Tableau 1 : Exemple des configurations à tensions fixes et ajustables de l'AP7361EA. (Source du tableau : Art Pini, à partir de données de Diodes Inc.)

Les dispositifs série AP7361EA sont tous protégés contre les courts-circuits et les surintensités. La protection contre les courts-circuits et les surintensités présente une limite de courant de repli de 400 milliampères (mA) si le courant de sortie dépasse la limite de courant, généralement 1,5 A. Un blocage thermique se produit lorsque la température de jonction du dispositif atteint 150°C nominalement, et le fonctionnement est rétabli lorsqu'elle descend en dessous de 130°C environ.

Régulation de charge et de ligne

La régulation de charge décrit la capacité du LDO à maintenir sa tension de sortie malgré les variations du courant de charge de sortie. Cela est important dans les dispositifs portables alimentés par batterie, où les contrôleurs arrêtent souvent les sous-systèmes lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Le LDO série AP7361EA a une régulation de charge spécifiée maximum de 1,5 % pour des niveaux de sortie de 1 V à 1,2 V, et de 1 % pour des sorties de 1,2 V à 3,3 V (Figure 4).

Figure 4 : Exemple de graphique de régulation de charge pour une sortie de 3,3 V. La variation de sortie maximum est d'environ 0,15 % ou 5,0 mV pour une variation de charge de 100 mA à 500 mA pour la sortie nominale de 3,3 V. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

La régulation de charge est calculée comme le rapport entre la variation de la tension de sortie maximale et la tension de sortie nominale. Dans l'exemple ci-dessus, la variation de sortie maximum est d'environ 5,0 mV pour une variation de charge de 100 mA à 500 mA. La régulation de charge est donc de 0,005/3,3 ou 0,15 %.

La variation de ligne spécifie la variation de la sortie pour un changement de la tension de source par volt de sortie. La série AP7361EA a une spécification de régulation de ligne maximum de 0,1 % par volt (%/V) à température ambiante et de 0,2 %/V sur toute la plage de températures. Pour une sortie de 3,3 V, une variation du niveau d'entrée de 1 V devrait entraîner une variation du niveau de sortie de moins de 0,33 % de la sortie nominale de 3,3 V (Figure 5).

Figure 5 : Graphique de régulation de ligne pour un AP7361EA fonctionnant avec une sortie de 3,3 V. Une variation de la tension d'entrée de 4,3 V à 5,3 V entraîne une variation de 0,05 % de la tension de sortie. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

La Figure 5 montre la caractéristique de régulation de ligne du LDO. Une variation de la tension de source, de 4,3 V à 5,3 V, entraîne une variation de 0,05 % du niveau de sortie, soit environ 1,65 mV.

Notez qu'en conditions de variations de ligne et de charge, la sortie montre une récupération rapide après des événements transitoires. Cela est important lors du redémarrage des processus dans les équipements portables où le bus d'alimentation doit être opérationnel avant que les circuits silencieux ne puissent être redémarrés.

Taux de réjection de l'alimentation

Les LDO, en tant que circuits linéaires, produisent beaucoup moins de bruit que les alimentations à découpage (SMPS) ou les convertisseurs de puissance. Dans de nombreuses applications, un LDO est utilisé localement sur le circuit imprimé, mais la source d'alimentation est une alimentation à découpage. Grâce au système de contrôle intégré à un LDO, il tend à supprimer le bruit et l'ondulation de la source d'alimentation d'entrée. La mesure de cette suppression du bruit est le taux de réjection de l'alimentation (PSRR) (Figure 6).

Figure 6 : Le taux PSRR est calculé sur la base des signaux de courant alternatif mesurés à l'entrée et à la sortie du LDO. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Le taux PSRR est calculé sur la base du rapport entre les composantes CA de l'entrée et celles de la sortie, comme illustré à la Figure 6. Le taux PSRR de la série AP7361EA dépend de la fréquence et diminue avec l'augmentation de la fréquence. Le taux PSRR est de 75 décibels (dB) à 1 kilohertz (kHz) et tombe à 55 dB à une fréquence de 10 kHz. 75 dB représente une atténuation de plus de 5600:1. Un signal d'ondulation ou de bruit de 10 mV à 1 kHz serait atténué à environ 1,7 microvolt (µV).

Exemple d'application

Une application typique d'un LDO à sortie ajustable est illustrée à la Figure 7. Elle inclut une activation de sortie similaire à celle de l'AP7361EA-SPR-13, ainsi qu'un diviseur de tension de sortie externe.

Figure 7 : Exemple d'utilisation d'un LDO à sortie ajustable exigeant un diviseur de tension de sortie externe. L'équation (en bas à droite) montre la relation entre les résistances R1 et R2 pour la tension de sortie souhaitée et la tension de référence interne. (Source de l'image : Diodes Incorporated)

Les valeurs de résistance du diviseur de résistance peuvent être calculées à l'aide des équations présentées en bas à droite de la Figure 7. La valeur de R2 doit être maintenue à moins de 80 kilohms (kΩ) pour garantir la stabilité de la référence de tension interne. Pour une sortie de 2,4 V avec une tension de référence de 0,8 V et R2 égal à 61,9 kΩ, la valeur de R1 est de 123,8 kΩ. Une résistance de 124 kΩ, 1 %, conviendrait.

Conclusion

Les LDO sont des régulateurs de tension linéaires qui fonctionnent avec de faibles différences de tension entre l'entrée et la sortie, et avec de faibles courants de repos. Ils offrent un haut rendement énergétique, un faible niveau de bruit et un format compact. Ils conviennent particulièrement bien aux dispositifs portables fonctionnant sur batterie, où ils étendent la durée de vie de la batterie et améliorent la fiabilité.