Dags att ge upp LDO-enheten när det behövs en liten spänningsregulator?

Jag medger: trots allt ståhej kring spänningsregulatorer har mitt hjärta (och även min hjärna) ett särskilt rum för så kallade LDO-regulatorer, dvs. regulatorer med lågt bortfall. Ett av skälen är att de gör en enda sak på ett enkelt och effektivt sätt, och att man därför slipper problem eller obehagliga överraskningar. De första regulatorer som jag använde var av LDO-typ, och de var snälla mot mig när jag började försöka bygga egna kretsar. Än idag, när jag behöver inspänning på bara några få volt och någon ampere, kommer jag direkt att tänka på en enklare, trepols-LDO.

Det är ingen nyhet att LDO:er normalt sett har lägre effektivitet än andra regulatorer, men vid lägre strömnivåer – omkring en ampere – är skillnaden liten och kanske inte avgörande för en specifik design. Över ett antal ampere är skillnaden vanligen så stor att LDO:n inte längre är något bra alternativ, såvida det inte krävs superlågt brus, men även då finns det vissa spänningsregulatorer som är ganska bra. Och visserligen är det fullt möjligt att parallellkoppla vissa typer av LDO:er med blödningsmotstånd emellan, för att få ner strömmen, men det kan bli ganska komplicerat med avseende på layout, avtryck, komponentlista och prestandaberäkning.

Trots detta är LDO:er viktiga komponenter i ingenjörens komponentförråd. De är så lättanvända att många utvecklare strösslar ut dem som popcorn på sina kretskort när de behöver bra reglering nära kretsen eller delkretsen. Det är ett sätt att minimera spänningsfall och minimera brus och andra problem som kan uppstå när en strömkälla är placerad längre bort från lasten.

Men tiderna förändras

Men jag börjar ändå undra om inte tiden har hunnit ikapp LDO:erna, även för de enklare uppgifterna. Nuförtiden har kapslade lågspänningsregulatorer många egenskaper gemensamt med LDO:erna, till exempel avseende enkelhet, storlek, behov av externa passiva komponenter och generellt förenklade designmöjligheter. Jämför man dem på ett övergripande plan med LDO-regulatorer i en krets, är det inte så lätt att se skillnad på en 1-ampere LDO-regulator och en flerampere kapslad regulator.

En LDO kan dessutom endast reglera nedåt (buck), medan andra spänningsregulatorer klarar buck, boost, och även buck/boost, med sömlös övergång mellan de två lägena. Det är en viktig egenskap, eftersom många kretsar drivs med ett litiumjonbatteri och måste reglera batteriet från fulladdat till delvis urladdat.

Visa (stålarna) exemplen

Ta till exempel LTM8074 (LTM8074EY#PBF), en tyst µModule-regulator från Analog Devices (figur 1). Den har brett inspänningsområde (3,2–40 volt), brett utspänningsområde (0,8–12 volt), levererar 1,2 ampere kontinuerligt (vid 24 volt inspänning och 5 volt utspänning) och når 1,75 ampere topputgångsström vid en utspänning på 3,3 volt. Men det kompakta formatet var det som verkligen fick mig att haja till. Som en BGA-enhet är den endast 4 × 4 mm, med en höjd på 1,82 mm.

Figur 1: LTM8074 är en lättanvänd spänningsregulator med litet format, både modulmässigt och som övergripande krets. (Bildkälla: Analog Devices)

Allt som behövs för att den ska fungera är två kondensatorer (1 µF och 10 µF) och två resistorer, vilket gör det enkelt att slänga in och använda den som LDO, men med mer kraft i mindre format. Induktorn, som man normalt förknippar med regulatorn, är inbäddad i paketet, så ur utvecklarens perspektiv behöver den inte ingå i stycklistan och tar inte upp extra utrymme. Dessutom avger den endast låga nivåer av elektromagnetiska störningar – klart mycket bättre än LDO-enheten (figur 2).

Figur 2: CISPR22 klass B-emissioner för LTM8074 på demokortet DC2753A, med VOUT = 3,3 volt, en last på 1,2 ampere och inget EMI-filter. (Bildkälla: Analog Devices)

Ett annat exempel på en superliten LDO-liknande regulatormodul är Texas Instruments LMZ10501 (LMZ10501SILR) – en 1-ampere NanoModule med ett inspänningsområde på 2,7–5,5 volt och ett utspänningsområde på 0,6–3,6 volt (figur 3).

Figur 3: LMZ10501 från Texas Instruments har ett format på 3,00 × 2,60 mm, inklusive induktor. Externt behövs det endast tre keramiska kondensatorer och två resistorer för att få enheten att fungera. (Bildkälla: Texas Instruments)

LMZ20501 behöver endast tre keramiska kondensatorer och två resistorer. En induktor är inbyggd i microSiP-modulen, som har 8 stift och en storlek på endast 3,00 × 2,60 mm (figur 4). En sak är säker: den ser inte ut som en vanlig integrerad krets.

Figur 4: Induktorn i LMZ10501 från Texas Instruments är inbyggd i den fysiska NanoModule-designen, vilket sparar plats och förenklar komponentlistan. (Bildkälla: Texas Instruments)

De här pyttesmå regulatorerna mäter sig mycket väl med LDO:er vid låga strömstyrkor, där LDO:erna länge var att föredra tack vare storlek och enkelhet. Maxim Integrateds MAXM15462 är ett exempel på en högeffektiv, synkron, nedtransformerande DC-DC-modul med integrerad styrenhet, MOSFET, kompensationskomponenter och induktor för ett brett inspänningsområde (figur 5). Den klarar ingångsspänningar på 4,5–42 volt och levererar upp till 300 milliampere (mA) utgångsström över ett programmerbart utspänningsområde på 0,9–5 volt. Den behöver tre kondensatorer (två för 1 µF och en för 10 µF) och två resistorer parallellt med den lilla uSLIC™-modulen som har en storlek på 2,6 × 3 × 1,5 mm.

Figur 5: Spänningsregulatorn MAXM15462 från Maxim Integrated, med 300 mA utgångsström, kan i storlek jämföras även med lågströms-LDO:er. (Bildkälla: Maxim Integrated)

Dessa små regulatorer har fler fördelar än att vara mindre och mer effektiva än jämförbara LDO-regulatorer. Beroende på variant, kan de innehålla trevliga (eller nödvändiga) funktioner, såsom mjukstart för att minska inrusningsströmmen, ett utgångsstift för ”bra spänning” samt programmerbart underspänningsskydd (UVLO).

Redo att gå vidare?

För att kunna dra nytta av tekniska framsteg måste man ibland släppa invanda föreställningar. Jag vet utvecklare som använder uråldriga operationsförstärkare i nya produkter, enbart för att det är den produkt de bäst känner till och är vana vid. Det kan i vissa fall vara en bra strategi, men andra gånger kan den nya designen bli lidande – en modern operationsförstärkare kanske hade gett ett billigare och mindre utförande med fler funktioner.

Spänningsregulatorer av LDO-typ kommer fortfarande att användas i miljontals nya produkter varje år. Men lågspänningsregulatorer erbjuder så mycket mer vad gäller prestanda, beteende, användarvänlighet och effektivitet – allt i ett litet format. Det är i stort sett ett yrkesfel att inte åtminstone överväga användning av dem vid den första impulsen att använda en LDO.

Så medan du gör det, går jag ut och kollar förgasaren på min bil – nålventilen måste rengöras och flottören är felställd.