Dropout voltage что это

Что такое LDO регуляторы?

LDO регуляторы — тип линейных регуляторов напряжения, отличающихся малым падением напряжения на регулирующем элементе. Один из главных параметров — падение напряжения (dropout) VDROP, определяется как минимальное напряжение между входом и выходом стабилизатора, при котором схема стабилизации сохраняет работоспособность. В большинстве методик тестирования это напряжение измеряется при уменьшении входного напряжения VIN, когда напряжение на выходе VOUT снижается на 100 мВ относительно нормального режима работы схемы стабилизации (когда VIN = VOUT +5 В). В обычном регуляторе используется составной n-p-n транзистор, работающий в линейной области. В LDO регулирующим элементом является один p-n-p транзистор , поэтому минимальное падение напряжения на нем равно напряжению насыщения коллектор-эмиттерного перехода этого транзистора. В некоторых микросхемах LDO регуляторов используются полевые транзисторы . В любом случае напряжение VDROP зависит от тока нагрузки и температуры перехода (открытого канала). И меются несколько групп приборов в линейке LDO регуляторов , например, у National Semiconductor кроме стандартных регуляторов, pin-to-pin совместимых с серией 78хх и LM317, имеются несколько групп приборов, ориентированных на конкретные области применения.

Стабилизаторы отрицательного напряжения. Представлены двумя микросхемами LM2990 (фиксированные значения выходных напряжений: -5В; -5,2В; -12В;-15В), LM2991 (регулируемый -3…-24 В). Отличаются самым большим значением VDROP в семействе LDO регуляторов — около 0,6 В при наг рузке в 1 А.

Многоканальные. Двухканальные LM9072; LM9073; LP3986 LP2966 LP2967 LP2956, трехканальные, так называемые «Microprocessor Power Supply System (MPSS) LP2984 — оптимальное решение для схем питания микропроцессорных систем с током потребления до 600 мА. Все три канала имеют фиксированное напряжение 5В. Реализован канал питания микропроцессора — 500 мА, канал питания периферийных устройств — 100 мА и канал standby memory с током нагрузки 5 мА. Микросхема имеет вывод сброса микропроцессора. Пятиканальные «System Power Manager Regulator» — LP3927. Применяется в схемах питания переносных устройств. Реализованы два канала по 200 мА, два по 150 мА и один 100 мА.

С ультранизким падением напряжения VDROP. LP3881…83, LP3891…93, LP 2957, LP2980, LP3961…63. Применяются в многоканальных схемах питания, в случаях, когда необходим высокий КПД линейного регулятора, в устройствах с батарейным питанием. Наименьшее значение VDROP имеют микросхемы LP3881…83 — 110 мВ при токе нагрузки 1,5 А и 210 мВ при токе 3 А.

Прецизионные. Регуляторы с относительной погрешностью поддержания выходного напряжения 0,5 %. LP2980, LP2950AC, LP2951AC, LP2986A…87A, LP2952A…57A, LМ3411A.

Квази LDO (QLDO). LM1084, LM1085, LM1086, LM3480, LM3490, LM1117. Занимают промежуточное положение между классическими линейными регуляторами 78хх и LDO. Если в классическом линейном регуляторе используется составной n-p-n транзистор , то в QLDO — один n-p-n транзистор. Поэтому величина VDROP у QLDO меньше на величину падения напряжения открытого база-эмиттерного перехода и составляет около 1,2 В. Применяются для замены регуляторов серии 78хх.

С функциями контроля напряжений — LDO регуляторы, имеющие дополнительные выходы «Power Good» или «Delayed Reset» LMS5258, LP2986, LP3988, LP8358. Микросхемы с выводом «Power Good» отслеживают величину напряжения на выходе и при VOUT = (0,97-0,89)VOUT NOM на выходе «PG» с задержкой формируется сигнал логической единицы.

Контроллеры — микросхемы для реализации LDO — регуляторов с внешним биполярным или полевым транзистором. LM3411, LP2975, LM3460. Позволяют реализовать регуляторы напряжения с большими токами нагрузки.

Dropout

Dropout is the smallest difference between a regulator’s input and its output voltage, which is required to maintain regulation and enable the regulator to provide rated voltage and current. It is important to have a low dropout voltage for increased efficiency and minimal heat dissipation.

Linear voltage regulators require inputs which are higher than the rated output voltages. As the input voltage decreases towards the desired output voltage, it leads to condition of insufficient voltage which causes the regulator to drop out and provide unregulated output.

As an example, consider a 5v regulator with a 2V dropout voltage, for this to give a regulated output, the input voltage must be least equal to the output voltage (5V) plus the dropout voltage (2), which is 7V, any input below 7V will result into unregulated voltage output.

Linear regulators have much bigger heat losses and are less efficient due to larger dropout voltages. The excess voltage is usually dropped across the regulator and dissipated as heat. On the other hand the switching regulators are more efficient since they deliver power to the load by rapidly switching on and off.

In design processes the dropout voltage is crucial and it is important to follow manufacturer’s recommended dropout voltage provided in the datasheets. This enables one to select the right input voltage and avoid situations such as having a low input in which the regulator will be unable to provide the rated voltage, or too high input resulting in too much heat dissipation and possibly destroying the regulator.

In practical applications, the dropout is said to have been reached when the output voltage is drops below the design value by 100mV. The dropout voltage is sometimes affected by the junction temperature and the load current and manufactures usually specify the range of load current and operating temperature in which the dropout is applicable.

The dropout voltage in linear regulators is dependent on the load and is higher at high loads since more voltage is dropped across the regulators circuitry internal resistance. The low-dropout regulators however do not have this problem and maintains the rated output voltage over a wide range of load currents and input voltage, in addition to having low dropout voltages with typical values of 80mv at 2A.

More efficiency is achieved with the LDOs which have small voltage dropouts and able to provide stable voltage irrespective of load and line variations, temperature changes and time.

LDO-преобразователи с низким током собственного потребления и малым падением напряжения

Увеличить срок службы комплекта батарей или заряда аккумулятора, просто добавив в схему линейные стабилизаторы напряжения? Увеличить стабильность напряжения и уменьшить пульсации после импульсного преобразователя практически без снижения КПД блока питания? Это реально, если использовать современные микромощные LDO-стабилизаторы от STMicroelectronics с малым падением напряжения производства.

Продолжительное время разработчикам электронной аппаратуры были доступны только классические стабилизаторы (например, LD1117 или стабилизаторы серий 78xx/79xx) с минимальным падением на регулирующем элементе от 0,8 В и выше. Связано это было с тем, что в качестве регулирующего элемента применялся n-p-n-транзистор, включенный по схеме с общим коллектором. Для того, чтобы открыть такой транзистор до насыщения, необходим дополнительный источник питания, напряжение которого превышает входное напряжение. Однако развитие технологий не стоит на месте, и с появлением мощных и компактных p-канальных полевых транзисторов их тоже начали использовать в стабилизаторах напряжения, включая по схеме с общим истоком. Такая схема позволяет при необходимости полностью открыть транзистор, и падение напряжения на его переходе фактически будет зависить только от сопротивления канала и тока нагрузки. Так появился стабилизатор LDO (Low DropOut).

Следует учитывать, что минимальное падение на канале транзистора LDO-стабилизатора практически линейно зависит от протекающего через него тока, так как канал фактически является электрически регулируемым резистором с некоторым минимальным сопротивлением. Поэтому при уменьшении выходного тока это напряжение тоже пропорционально уменьшается до некоторого предела, обычно равного 10…50 мВ. Лидерами же следует признать микросхемы LD3985 и LDS3985, у которых минимальное падение напряжения составляет всего 0,4 мВ. Если падение напряжения – одно из ключевых требований к стабилизатору, то следует присмотреться к стабилизаторам с большим запасом по току, так как у них из-за меньшего сопротивления канала регулирующего транзистора может быть гораздо меньшее падение напряжения на том же токе нагрузки.

Уникальная возможность LDO – его способность практически без ухудшения суммарного КПД блока питания стабилизировать напряжение, сглаживать выбросы и уменьшать шум на шине питания для высокочувствительных устройств, таких как радиоприемники, модули GPS, аудиоустройства, АЦП высокого разрешения, генераторы VCO, [1]. Например, для питания схемы напряжением 3,3 В мы выбрали LDO с минимальным падением 150 мВ и понижающий импульсный стабилизатор с пульсациями на выходе амплитудой 50 мВ (верхняя кривая на рисунке 1). Выходное напряжение импульсного стабилизатора можно приблизительно оценить по формуле:

где U_Имп – выходное напряжение импульсного стабилизатора, U_Нагр. – выходное напряжение линейного стабилизатора (напряжение питания нагрузки), ∆U_Имп – амплитуда пульсаций напряжения на выходе импульсного стабилизатора. Поэтому выберем его равным 3,6 В. В итоге КПД ухудшится всего на 8%, однако при этом значительно уменьшатся пульсации напряжения. Коэффициент подавления пульсаций напряжения питания (SVR) определяется по формуле:

При типовом коэффициенте порядка 50 дБ пульсации ослабляются примерно в 330 раз. То есть амплитуда пульсаций на выходе нашего источника питания уменьшится до сотен микровольт (нужно еще учитывать шум самого LDO, обычно он составляет десятки мкВ/В) – такой результат практически недостижим для большинства импульсных преобразователей без дополнительного стабилизатора или многозвенных LC-фильтров на выходе. Наилучшие характеристики стабилизации обеспечивают микросхемы LDLN015, LD59015 и микросхемы серии LD39xxx – у LDLN015 шум не превышает 10 мкВ/В, а коэффициент SVR доходит до 90 дБ.

Однако у LDO тоже есть недостатки, один из которых – склонность к самовозбуждению, причем не только при слишком большом ESR выходного конденсатора (или его слишком маленькой емкости), но и при слишком низком ESR. Связана эта особенность с тем, что каскад с общим эмиттером (общим истоком) имеет высокий выходной импеданс, поэтому на частотной характеристике стабилизатора появляется дополнительный низкочастотный полюс (его частота зависит от сопротивления нагрузки и емкости выходного конденсатора). В итоге уже на частотах в десятки килогерц сдвиг фазы может превысить 180° и отрицательная обратная связь превращается в положительную [2]. Для решения такой проблемы в частотную характеристику необходимо добавить нуль, и простейший способ сделать это – увеличить последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора: это практически не увеличивает пульсации выходного напряжения, но является залогом стабильности всей схемы. Причем емкость и ESR конденсатора должны быть в строго очерченных пределах. Они указываются индивидуально для каждого LDO-стабилизатора. Увы, но стандартный подход «чем больше емкость и чем ниже ESR выходных конденсаторов – тем лучше», применимый к классическим линейным и импульсным стабилизаторам, здесь не работает.

В зависимости от компонентов внутренней корректирующей схемы, LDO-стабилизаторы можно условно разделить на три группы:

• стабилизаторы, рассчитанные на работу с танталовыми или электролитическими конденсаторами – им требуется конденсатор с ESR 0,5…10 Ом и более;
• стабилизаторы, рассчитанные на работу с танталовыми конденсаторами (ESR 0,3…5 Ом);
• стабилизаторы, рассчитанные на работу с керамическими конденсаторами – они сохраняют стабильность при ESR выходного конденсатора от 0,005 до 1 Ом.

Для высокочастотных и/или сильноточных цифровых схем рекомендуется ставить фильтрующие керамические конденсаторы емкостью 0,1…1 мкФ возле каждой микросхемы, и они тоже могут нарушить стабильность LDO-стабилизатора. Чтобы этого не происходило, рекомендуется увеличивать длину и уменьшать толщину дорожек от стабилизатора до нагрузки (тем самым увеличивать индуктивность дорожек), ставить в разрыв цепи питания дроссели или резисторы, а также выбирать LDO-стабилизаторы, скомпенсированные под низкий ESR нагрузки [3].

Есть еще один способ увеличить стабильность преобразователя – использовать в качестве регулирующего n-канальный транзистор, включенный по схеме с общим стоком. Такая схема стабильна практически при любых характеристиках выходного конденсатора, и даже вообще без конденсатора (так называемые capless-стабилизаторы). Однако для ее корректной работы необходим внутренний умножитель напряжения, который будет повышать входное напряжение для возможности отпирания регулирующего транзистора до насыщения. По такой схеме изготовлен LDCL015 – благодаря более низкому сопротивлению канала n-канальных транзисторов той же площади удалось значительно снизить падение напряжения, однако из-за постоянно работающего умножителя резко возрос потребляемый микросхемой ток в активном режиме. Но, по мнению автора, за такими стабилизаторами – будущее LDO, поэтому проблема повышенного энергопотребления наверняка скоро решится.

Еще несколько особенностей LDO связаны со спецификой используемого в качестве регулирующего элемента MOSFET-транзистора – с его значительной емкостью затвора и со встроенным паразитным обратносмещенным диодом. Так, при резком пропадании напряжения питания (например, короткое замыкание на входе стабилизатора) и значительной емкости выходных конденсаторов выходное напряжение течет через диод на вход и, теоретически, стабилизатор может выйти из строя из-за ничем не ограниченного обратного тока. Особенно это критично для мощных стабилизаторов, работающих с токами в несколько ампер, поэтому в некоторых стабилизаторах (например, LD39200) встроена специальная схема защиты от обратного тока.

Рис. 1. Пульсации на входе (верхний график) и выходе LDO-стабилизатора

Из-за значительной емкости затвора ухудшается способность транзистора быстро реагировать на резкие изменения тока нагрузки. В итоге, при уменьшении тока нагрузки выходное напряжение стабилизатора по инерции повышается (до тех пор, пока встроенный операционный усилитель не сможет чуть закрыть транзистор), а при увеличении тока – выходное напряжение слегка проседает (нижняя кривая на рисунке 1). Увеличить нагрузочную способность стабилизатора можно посредством увеличения мощности выхода встроенного операционного усилителя, однако вслед за этим увеличивается потребляемый стабилизатором ток. Поэтому разработчику приходится выбирать: или использовать в схеме сверхмаломощные стабилизаторы (например, серий STLQ или ST715 с потребляемым током в единицы микроампер, но с очень высокой инерционностью и большими просадками напряжения при резких изменениях тока нагрузки), или стабилизаторы среднего и высокого быстродействия, но с потреблением до сотен микроампер. В качестве альтернативы существуют стабилизаторы с режимами экономии энергии (например, LD39130S), которые при уменьшении тока нагрузки автоматически переключаются в микромощный режим. Аналогично работают многие современные микроконтроллеры (например, семейств STM8 и STM32) – у последних имеется два встроенных LDO-стабилизатора, один из которых работает в микромощном, а второй – в активном режиме, что обеспечивает высокую энергоэффективность во всех режимах работы и во всем диапазоне напряжения питания.

Рис. 2. Типовая схема включения LDO-стабилизатора

Все рассмотренные в этой статье стабилизаторы для своей работы требуют минимум внешних компонентов – всего два конденсатора, причем входной конденсатор емкостью минимум 1 мкф обязателен для большинства микросхем, и только для регулируемых версий еще необходим делитель из двух резисторов (рисунок 2). Все микросхемы имеют защиту от перегрузки и перегрева, способны работать в диапазоне температур -40…125°С. Многие микросхемы имеют вход включения Enable: потребляемый ток в режиме «Выключено» обычно не превышает единиц…сотен наноампер. Основные электрические характеристики стабилизаторов указаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные электрические характеристики LDO-стабилизаторов ST

Наименование	Входное напряжение, В	Выходное напряжение, В	Вых. ток, мА	Падение напряжения¹, мВ	Потреб. ток (min), мкА	SVR², дБ	Шум на выходе³, мкВRMS/В	Enable /Power Good	Рекомендуемые характеристики вых. конденсатора		Корпус
									Емкость, мкф	ESR, Ом
LD3985	2,5…6	1,22; 1,8; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 2,9; 3,0; 3,3; 4,7	150	0,4…60	85	50	30	+/-	1…22	0,005…5	SOT23-5L, TSOT23-5L, CSP (1,57×1,22 мм)
LDS3985	2,5…6	1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 3,0; 3,3; 5,0	300	0,4…150	85	50	30	+/-	2,2…22	0,005…5	SOT23-5L, DFN6 (3×3 мм)
LD39015	1,5…5,5	0,8; 1,0; 1,2; 1,25; 1,5; 1,8; 2,5; 3,3	150	до 80	18	62	29	+/-	0,33…22	0,15…2	SOT23-5L, SOT666, CSP (1,1×1,1 мм)
LD59015	2,4…5,5	0,8; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 3,0; 3,3	150	до 150	31	76	20	+/-	0,33…22	0,05…8	SOT323-5L
LD39020	1,5…5,5	0,8…5,0	200	до 200	20	65	45	+/-	0,22…22	0,05…0,9	DFN4 (1×1 мм)
LD39115J	1,5…5,5	1,0; 1,2; 1,4; 1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 3,0; 3,3	150	80 (100 мА)	20	67	30	+/-	1…22	0,1…1,8	CSP4 (0,8×0,8 мм)
LD39130S4	1,5…5,5	1,0; 1,2; 1,8; 2,5; 2,9; 3,0; 3,3; 4,1; Adj	300	до 300	55 (1)	65 (48)	38 (100)	+/-	0,33…22	0,1…4	CSP4 (0,69х0,69 мм)/DFN6 (1,2×1,3 мм)
LD39050	1,5…5,5	2,5; 3,3; Adj	500	до 200	20	62	30	+/+	1…22	0,05…0,8	DFN6 (3×3 мм)
LD39100	1,5…5,5	1,2; 2,5; 3,3; Adj	1000	до 200	20	65	85	+/+	1…22	0,05…0,15	DFN6 (3×3 мм)
LD39200	1,25…6,0	3,3; Adj	2000	до 135	100	50	24	+/+	1…22	0,05…1,2	DFN6 (3×3 мм), DFN8 (4×4 мм)
LDK120	1,9…5,5	0,8; 1,0; 1,1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 2,9; 3,0; 3,1; 3,2; 3,3; 3,5; Adj	200	до 150	30	55	51	+/-	1…22	0…10	SOT23-5L, SOT323-5L, DFN6 (1,2×1,3 мм)
LDK130	1,9…5,5	0,8; 1,1; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 2,9; 3,0; 3,2; 3,3; Adj	300	до 200	30	55	51	+/-	1…22	0…10	SOT23-5L, SOT323-5L, DFN6 (1,2×1,3 мм)
LDK220	2,5…13,2	1,2…1,8; 2,5…3,3; 3,6; 4,0; 4,2; 5,0; 6,0; 8,5; 9,0; Adj	200	до 200	40	45	20	+/-	1…22	0,05…0,9	SOT23-5L, SOT323-5L, DFN6 (1,2×1,3 мм)
LDLN015	2,1…5,5	1,0; 1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 3,0; 3,3	150	до 86	17	89	6,3…9,9	+/-	0,33…10	0,05…0,6	DFN6 (2×2 мм)
LDCL015	1,8…5,5	3,3; Adj	150	до 70	120	51	40	+/-	Любая	Любой	SOT23-5L
STLQ50	2,3…12	1,8; 2,5; 3,3; 5,0; Adj	50	до 350	3	30	560	-/-	0,22…4,7	0…10	SOT323-5L
STLQ015	1,5…5,5	1,2; 1,5; 1,8; 2,5; 2,8; 3,0; 3,1; 3,3	150	до 112	1	30	75	+/-	0,47…10	0,056…6	SOT666
ST715	2,5…24	2,5; 3,3; Adj	85	до 500	4,15	45	95	-/-	0,47…1	0…1,5	SOT23-5L, SOT323-5L, DFN8 (3×3 мм)

1. на максимальном выходном токе;
2. на частоте 10 кГц;
3. в диапазоне частот от 10 Гц до 100 кГц;
4. в скобках указаны значения для режима Green.

Микромощные LDO-стабилизаторы

Как известно, у многих схем с широким диапазоном напряжения питания при повышении напряжения увеличивается потребляемый ток, поэтому для увеличения срока службы комплекта батарей следует стабилизировать напряжение на минимально допустимом уровне, при котором еще не нарушается работа схемы [4]. Однако при этом нужно учитывать ток потребления самого LDO – он должен быть гораздо ниже той разницы, которую мы пытаемся сэкономить. Также нужно учитывать минимальное падение напряжения на стабилизаторе, так как чем оно выше – тем раньше у нас сядут батарейки. И если лет 20 назад разработчикам были доступны только микросхемы семейства КРЕН с типовым потребляемым током более 3 мА, то сейчас выбор гораздо шире.

Рис. 3. Внутренняя схема типового LDO-стаби­лизатора (STLQ015)

Для работы в микромощном режиме лучше всего подходит STLQ015 – уникальный стабилизатор с потреблением порядка 1 мкА (до 2,4 мкА при максимальном токе нагрузки) и падением напряжения менее 112 мВ. При этом его выходное напряжение во всем рабочем диапазоне изменяется не более, чем на 3…5%. Схема стабилизатора – простейшая (рисунок 3), без каких-либо дополнительных опций. Чуть выше энергопотребление у STLQ50. Эта микросхема способна работать при входном напряжении до 12 В. А ST715, при потребляемом токе 4,5 мкА и сравнительно невысокой стоимости, способна выдерживать входное напряжение до 26 В. Микросхемы изготавливаются в корпусах средних размеров и идеально подходят для устройств с батарейным питанием – при токе нагрузки не более единиц микроампер даже маленькая батарейка CR2032 в устройстве с STLQ015 будет работать десятки лет!

Микросхема STLQ015 имеет вход включения EN – стабилизатор включается при напряжении на этом входе выше 0,7 В. Однако из-за утечек в канале регулирующего транзистора при работе микросхемы без нагрузки, в выключенном состоянии выходное напряжение может немного повышаться. При наличии нагрузки на выходе (ток порядка единиц…сотен нА и более) этого эффекта удается избежать.

STLQ015 устойчива при емкости выходного конденсатора 0,47…10 мкФ (ESR 0,056…6 Ом), STLQ50 – 0,22…4,7 мкФ (ESR 0…10 Ом), ST715 – 0,47…1 мкФ (ESR 0…1,5 Ом). Емкость входного конденсатора должна быть не менее 1 мкФ (0,1 мкФ для ST715). При удалении стабилизатора на расстояние более 5…10 см от источника питания емкость входного конденсатора рекомендуется значительно увеличить.

Отдельно следует упомянуть микросхему LD39130S – уникальный стабилизатор с автоматическим переключением в микромощный режим Green при снижении тока нагрузки (рисунок 4). На малых токах («спящий режим», ток нагрузки менее 1…2 мА) микросхема работает в экономичном режиме (Green) с типовым потребляемым током порядка 1 мкА. Как только ток нагрузки превысит 10 мА («просыпание» системы), микросхема переходит в нормальный режим с потреблением от 55 мкА и достаточно высокими динамическими характеристиками. Благодаря этой опции микросхема незаменима для устройств с автономным питанием, которые периодически «просыпаются» и в активном режиме требуют повышенной стабильности питающего напряжения.

Рис. 4. Внутренняя схема LD39130S

Микросхема оснащена функцией плавного старта с типовым временем включения порядка 100 мкс и способна выдавать в нагрузку до 300 мА с автоматическим ограничением тока на уровне 50 мА при коротком замыкании. Стабилизатор выпускается в четырехвыводном сверхминиатюрном корпусе типа CSP с неотключаемой функцией режима Green и в шестивыводном корпусе типа DFN6 с выводом для принудительного отключения этого режима. Емкость выходного конденсатора может быть в пределах 0,33…22 мкФ (рекомендуется 1 мкФ), его ESR – 0,1…4 Ом.

Малошумящие стабилизаторы с высоким коэффициентом подавления пульсаций напряжения

Для некоторых устройств является критичным не только падение напряжения на канале стабилизатора, но и амплитуда шума и пульсаций в цепях питания. И если раньше для снижения пульсаций приходилось устанавливать на выходе стабилизатора полосовые LC-фильтры, то сейчас в большинстве случаев достаточно просто выбрать более малошумящий LDO-стабилизатор с высоким коэффициентом SVR.

Один из лучших в своем классе – LDLN015. При сравнительно небольшом потребляемом токе (17 мкА) амплитуда шумов на его выходе равна примерно 6,3 мкВ/В, при увеличении тока нагрузки до 150 мА она увеличивается до 9,9 мкВ/В. SVR на частототах до 10 кГц превышает 85 дБ при любом токе нагрузки – достичь таких показателей удалось с помощью дополнительного RC-фильтра и буферного усилителя (рисунок 5). Благодаря использованию довольно мощного регулирующего транзистора минимальное падение на его канале не превышает 86 (максимум – 150) мВ на максимальном токе нагрузки и, при уменьшении тока до 50 мА, снижается примерно до 35 мВ. Микросхема сохраняет стабильность при емкости выходного конденсатора в пределах 0,33…10 мкФ с ESR в пределах 0,05…0,6 Ом или 4,7 мкФ с ESR 0…0,6 Ом, рекомендуется конденсатор емкостью 0,47 мкФ.

Рис. 5. Внутренняя схема малошумящего стабилизатора LDLN015

LD59015 при чуть худших характеристиках предъявляет гораздо менее жесткие требования к выходному конденсатору – его ESR может быть 0,05…8 Ом. В отличие от других малошумящих стабилизаторов, этот не содержит промежуточного фильтра и дополнительного усилителя. LD39015 при гораздо меньшем потребляемом токе имеет сходные характеристики и практически нулевое падение напряжения на канале при малых токах нагрузки. Для этого стабилизатора ESR выходного конденсатора должен быть в пределах 0,15…2 Ом.

Стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения

Рис. 6. LDO-стабилизаторы со сверхнизким падением напряжения

Единственный способ увеличить КПД линейного регулятора – это уменьшить до минимума падение напряжения на канале регулирующего элемента. Особенно критично это для миниатюрных мощных регуляторов, где каждые дополнительные 50 мВ падения напряжения превращаются в сотни мВт выделяемого тепла, которое весьма сложно рассеивать в компактном корпусе современных устройств. Поэтому для питания таких схем компания STMicroelectronics предлагает разработчикам микросхемы с падением напряжения менее 100 мВ.

Наилучшие характеристики имеет недавно анонсированная ST1L08 – при токе нагрузки до 800 мА минимальное падение на канале ее транзистора составляет всего 70 мВ (рисунок 6)! Из серийно выпускаемых стабилизаторов стоит отметить LD3985 и LDS3985, у которых при уменьшении тока нагрузки до наиболее низкого значения минимальное падение уменьшается до 0,4 мВ. Для снижения шумов эти микросхемы имеют дополнительный буферный усилитель с выводом для подключения внешнего фильтрующего конденсатора (рисунок 7) емкостью 0,01 мкф. Требования к выходному фильтрующему конденсатору минимальные – его емкость должна быть 1 (2,2 для LDS3985)…22 мкф, а ESR – от 0,005 до 5 Ом.

Рис. 7. Внутренняя схема LD3985 и LDS3985

Отдельного внимания заслуживает микросхема LDCL015 – при неплохих характеристиках и сверхнизком падении напряжения (до 70 мВ на максимальном токе и до 50 мВ при токе 100 мА) это один из немногих LDO-стабилизаторов, способных работать вообще без входного и выходного конденсаторов! Достичь этого удалось, используя схему на операционном усилителе с достаточным запасом по фазе при любой емкости выходного конденсатора. Но для улучшения динамических характеристик и снижения выходного шума рекомендуется поставить на входе и выходе стабилизатора конденсаторы емкостью от 0,1 мкФ (оптимально – 1 мкФ) с любым ESR.

Мощные стабилизаторы

Некоторые устройства (приемопередатчики, эхолоты, модули GSM, схемы с FPGA) нуждаются в довольно мощном и в то же время малошумящем источнике питания, поэтому для их питания, если нужна высокая энергоэффективность, обычно используют импульсный преобразователь с мощным LDO-стабилизатором на выходе. Учитывая обычно небольшое падение напряжения на канале такого стабилизатора, даже миниатюрная микросхема в корпусе DFN размером 3х3 мм способна без перегрева качественно стабилизировать напряжение при токе до нескольких ампер.

Одни из лучших в этой области – LD39050 (ток нагрузки до 0,5 А), LD39100 (до 1 А) и LD39200 (до 2 А) (рисунок 6). При значении падения напряжения менее 200 мВ они имеют превосходные характеристики – подавление пульсаций на критичных для мощных устройств частотах до 1 кГц достигает 70 дБ, а шум на выходе не превышает 100 мкВ (для LD39200 при токе нагрузки 10 мА – всего 24 мкВ, микросхема имеет промежуточный RC-фильтр). Микросхемы имеют значительный запас по току – у LD39050 ограничение тока происходит на уровне 0,8 А, у LD39100 – 2,5 А, а у LD39200 – 3,5 А. Это позволяет схеме выдерживать кратковременные значительные перегрузки. В дополнение к перечисленному LD39200 имеет защиту от обратного тока – когда выходное напряжение по какой-либо причине выше входного и ток начинает течь через паразитный диод регулирующего транзистора, микросхема переходит в режим ограничения тока. А в выключенном состоянии, при нулевом уровне на входе Enable, и если выходное напряжение больше нуля, LD39200 разряжает выходные конденсаторы небольшим током порядка нескольких микроампер.

Все микросхемы имеют выход Power Good для информирования управляющего микроконтроллера – как только напряжение на выходе превысит 0,92*VOUT – транзистор на этом выходе закрывается и внешняя подтяжка устанавливает высокий логический уровень. Откроется транзистор только после того, как выходное напряжение снизится примерно до 0,80*VOUT, сгенерировав тем самым прерывание для микроконтроллера. Выход представляет собой открытый коллектор, напряжение подтяжки – до 7 В, рекомендуемое сопротивление резистора подтяжки – 100…1000 кОм.

Как и все мощные LDO-стабилизаторы, эти микросхемы предъявляют повышенные требования к трассировке печатной платы – входной и выходной конденсаторы должны быть расположены не далее 10 мм от выводов микросхем. Для улучшения теплоотвода необходимо предусмотреть под центральным контактом микросхемы полигон максимально возможной ширины, который через переходные отверстия соединяется со сплошной землей на нижнем слое.

Для стабильной работы микросхемам необходим выходной конденсатор емкостью 1…22 мкФ, его ESR для LD39050 должен быть в пределах 0,05…0,8 Ом, для LD39100 – 0,05…0,15 Ом. LD39200 менее требовательна – ей достаточно конденсатора с ESR 0,05…1,2 Ом. Рекомендуется использовать входной и выходной конденсаторы емкостью 1 мкФ, максимальная емкость входного конденсатора не ограничена.

Миниатюрные стабилизаторы

Глобальная миниатюризация устройств предъявляет новые требования к стабилизаторам, и LDO производства компании STMicroelectronics достойно их выдерживают – на рынке представлены стабилизаторы в корпусах STAMP и CSP размером от 0,47х0,47 мм (меньше макового зерна), и в пластиковом корпусе DFN размером от 1х1 мм (рисунок 8). Только благодаря переходу на такие корпуса промышленность смогла уменьшить современные мобильные устройства до действительно мобильных размеров.

Рис. 8. Сверхминиатюрные LDO-стабилизаторы

Наименьшие размеры имеет стабилизатор LDBL20 в запатентованном компанией корпусе STAMP – при размерах всего 0,47х0,47 мм он способен выдавать в нагрузку ток до 200 мА! Малошумящий стабилизатор LD39115J изготовлен в чуть большем корпусе и при потребляемом токе 20…35 мкА (в зависимости от выходного тока) способен выдавать в нагрузку до 150 мА с линейной зависимостью минимального падения напряжения практически от нуля до 80 мВ при токе 0…100 мА. При этом, когда ток нагрузки изменяется от 1 до 100 мА (длительность фронтов тока равна 5 мкс), просадка выходного напряжения не превышает 40 мВ («пик-пик») – весьма неплохой результат для такого стабилизатора. Микросхема стабильна при емкости выходного конденсатора 1…22 мкФ с ESR в пределах 0,1…1,8 Ом.

Стабилизатор LD39020 имеет встроенный промежуточный RC-фильтр на выходе источника опорного напряжения, поэтому обеспечивает великолепное подавление пульсаций питающего напряжения: на частотах до 1 кГц коэффициент SVR превышает 70 дБ для тока нагрузки 0…100 мА, а на частотах до 10 кГц – превышает 60 дБ для тока 0…200 мА. Микросхема выпускается как со стандартной погрешностью установки выходного напряжения ±2% (LD39020) так и с повышенной до ±0,5% (LD39020А) при температуре 25°С и токе нагрузки 1 мА. Опционально может иметь встроенный транзистор с сопротивлением канала 100 Ом для разряда выходных конденсаторов при нулевом уровне на входе Enable (LD39020D, LD39020AD). Несмотря на миниатюрные размеры корпуса (всего 1х1 мм), его строение достаточно удобное даже для ручного монтажа.

Емкость выходного конденсатора для LD39020 должна быть в пределах 0,22…22 мкФ (рекомендуется по 1 мкФ для входного и выходного), его ESR должен быть 0,05…0,9 Ом.

Также к разряду миниатюрных можно отнести рассмотренный ранее энергоэффективный стабилизатор LD39130 – микросхема имеет версию LD39130SJ в корпусе CSP размером 0,69х0,69 мм.

Стандартные LDO-стабилизаторы

Иногда к стабилизатору не предъявляется никаких особенных требований – подойдет практически любая микросхема с малым падением напряжения, и тогда разработчик просто сортирует по цене список вариантов. Рассмотрим семейства недорогих стабилизаторов производства компании STMicroelectronics, которые способны на равных конкурировать с предложениями от других производителей.

LDK120 и LDK130 – недорогие LDO-стабилизаторы 200 и 300 мА соответственно (рисунок 9), с падением напряжения до 100 мВ при токе нагрузки 100 мА и с довольно неплохими остальными характеристиками. С помощью опционального фильтрующего конденсатора можно значительно улучшить электрические характеристики микросхемы – уменьшить амплитуду выходного шума с примерно 150 до 51 мкВ/В и увеличить подавление пульсаций напряжения питания с 35…30 дБ до 55…50 дБ (на частотах 10…100 кГц). Однако всех этих преимуществ лишена версия микросхемы с нефиксированным выходным напряжением, так как она не имеет входа для подключения фильтрующего конденсатора. Микросхемы выпускаются как в миниатюрных корпусах типа DFN6, так и в подходящих для ручной пайки корпусах SOT23-5L и SOT323-5L, и для нормальной работы им достаточно входного конденсатора емкостью от 1 мкФ и более и выходного – емкостью 1…22 мкФ с ESR практически от нуля до 10 Ом.

Рис. 9. Внутренняя схема LDK120 и LDK130

LDK220 – малошумящий стабилизатор 200 мА с максимальным входным напряжением до 13,2 В. Один из немногих сравнительно высоковольтных LDO-стабилизаторов, имеющих версию в миниатюрном корпусе размером 1,2х1,3 мм. Емкость выходного конденсатора должна быть в пределах 1…22 мкФ, его ESR – 0,05…0,9 Ом, причем при емкости от 4,7 мкФ его ESR может быть равен практически нулю.

Заключение

LDO-стабилизаторы прочно заняли свое место под солнцем, вытеснив из низковольтных схем классические линейные стабилизаторы. Только с их помощью можно с минимальными затратами увеличить срок службы батарей миниатюрного устройства, одновременно обеспечив его компоненты стабилизированным питанием. Компания STMicroelectronics не останавливается на достигнутом и анонсирует новые микросхемы с еще лучшими характеристиками.

What is the Dropout Voltage of a Regulator?

The Dropout Voltage of a regulator is the amount of voltage that a regulator needs to be fed above its rated output voltage to maintain the output voltage.

Just as a brief review, a voltage regulator is a device which accepts an input voltage which it regulates down to the output voltage which it is rated for. In order for a voltage regulator to output its rated voltage, it must be fed a voltage that is higher than its rated voltage. The amount of voltage higher that the input voltage must be than the output voltage is the dropout voltage of the regulator.

For example, a LM7805 voltage regulator is a regulator that outputs 5 volts. However, in order to give out 5 volts, it needs to be fed a higher voltage as its input. The LM7805 needs at least 2 volts higher than the 5 volts to do provide the 5 volts. Therefore, it needs 7 volts as its input. Thus, its dropout voltage is 2 volts, since 5 volts + 2 volts= 7 volts.

Although voltage regulators need higher voltages as their inputs, higher is not better above a certain value. Normally the voltage that is provided as the input should be limited to 3 volts higher than the output voltage. So for a 5-volt regulator, no more than 8 volts should be applied as the input voltage. Although voltage regulators can withstand much higher voltages, the difference between the input and output voltage appears as heat. The greater the difference between the input and output voltage, the more heat is generated. If too much heat is generated, through high input voltage, the regulator can overheat. If the regulator does not have a heat sink to dissipate this heat, it can be destroyed and malfunction. Thus, it is recommended to follow the dropout voltage given by the manufacturer for the regulator on the datasheet. Too low a voltage as the input and the regulator won’t output its rated voltage or too high and the voltage regulator may dissipate too much heat. The dropout voltage, therefore, is crucial for getting the input voltage in the right range.