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Como funcionam os LDOs (ART767)

Os LDOs ou Low Dropout são reguladores lineares de tensão que, pelas suas características estão se tornando indispensáveis numa infinidade de aplicações, principalmente envolvendo a alimentação de equipamentos alimentados por baterias. Veja nesse artigo o que são os LDOs e como funcionam as principais topologias.

Quando os problemas de disponibilidade de energia, espaço e calor gerado não precisam ser levados em conta, o uso de circuitos reguladores de tensão lineares não oferece qualquer problema.

Os tipos comuns como os tradicionais que fazem uso de transistores bipolares em invólucros de três terminais como os das serie 78 e 79 podem ser usados sem problemas.

No entanto, nos equipamentos modernos, principalmente os alimentados por baterias, onde a energia deve ser gerenciada da melhor maneira possível, tanto para atender a durabilidade da fonte como também para se evitar desperdício na forma de calor, os reguladores lineares comuns não são a melhor solução.

Esses reguladores, intercalados aos circuitos em que devem funcionar, conforme mostra a figura 1, causam uma queda de tensão de pelo menos 2 V nos circuitos, e essa queda, além de desperdício de energia significa também a geração de calor. O calor gerado é dado pelo produto da queda de tensão pela corrente circulante.

 


 

 

E, se levarmos em conta que as aplicações modernas usam baterias de tensões muito baixas como 2,7 V e 3,3 V, uma queda de tensão de 2 V num dispositivo regulador não seria admissível.

Assim, para atender uma nova gama de aplicações em que energia não pode ser desperdiçada e também calor não deve ser gerado em grandes quantidades, uma geração diferente de reguladores de tensão lineares se tornou disponível, os LDOs ou low dropout - saída com baixa queda de tensão.

Esses dispositivos apresentam quedas de tensão muito baixa quando em condução, com valores na faixa de 0,1 v a 0,5 V apenas. É justamente deles que estaremos tratando nesse artigo.

 

Reguladores Lineares de Tensão Comuns

Os reguladores lineares de tensão típicos são intercalados com o circuito de carga, conforme mostra a figura 2.

 


 

 

Internamente, eles possuem um circuito de referência, eventualmente circuitos de proteção contra sobrecarga, aquecimento e outros recursos que dependem de sua aplicação.

Para controlar a corrente sobre a carga de modo a manter constante a tensão, esses dispositivos podem empregar diversas configurações. São justamente essas configurações que causam a queda de tensão responsável por perdas e pela geração de calor.

A configuração mais simples é a que faz uso de um transistor NPN bipolar, conforme mostra a figura 3.

 


 

 

A polarização do transistor numa região intermediária entre o corte e a saturação faz com que apareça entre o coletor e o emissor uma tensão. O produto dessa tensão pela corrente conduzida nos dá a quantidade de calor que o dispositivo vai dissipar.

Além disso, pelas suas características, os transistores bipolares fazem com que apareçam tensões razoáveis entre o coletor e o emissor mesmo quando se encontram saturados ou próximos da saturação. Tudo isso se traduz num baixo rendimento da configuração, com a geração de calor e perdas pela queda de tensão no dispositivo de passagem que é o transistor.

 

LDO - Low Dropout

Para se conseguir que os dispositivos usados no controle da corrente sobre a carga apresentem uma baixa queda de tensão, existem diversas possibilidades que são dadas por configurações, tanto usando transistores comuns como transistores de efeito de campo de potência, conforme mostra a figura 4.

 


 

 

As configurações apresentadas têm, entretanto, limitações que devem ser consideradas em cada projeto. Analisemos as características dessas configurações como:

Vmin - trata-se da tensão mínima de entrada com que pode operar a configuração.

IL - é a corrente típica de carga

Zout - trata-se da impedância de saída

BW - Faixa passante

 

a) Transistor NPN

Nesse caso o transistor opera como seguidor de emissor com uma baixa impedância de saída e uma faixa passante (BW) larga.

* Vmin = 1 V

* IL = < 1 A

 

b) Darlington NPN

Com um par Darlington operando como seguidor de emissor temos uma baixa impedância de saída e uma faixa passante larga. No entanto:

* Vmin = 2 V

* IL > 1 a

 

c) Transistor PNP

Essa é uma configuração interessante para LDOs, pois usando o transistor como inversor temos uma alta impedância de saída, uma faixa estreita mas uma tensão de entrada muito baixa.

* Vmin = 0,1 V

* IL < 1 a

 

d) Par PNP/NPN

Nessa configuração temos transistores complementares funcionando como inversores, obtendo-se uma alta impedãncia de saída e uma faixa passante estreita. Além disso:

* Vmin = 1,5 V

* IL > 1 A

 

e) PMOS

Usando um transistor de efeito de capo PMOS a tensão mínima de entrada será dada pelo produto:

 

Rds(on) x IL

 

A impedância de saída é alta e a faixa passante estreita. Além disso a corrente máxima de carga pode ser maior que 1 A.

Em função das características das configurações típicas que podem ser usadas nos dispositivos desse tipo, diversas arquiteturas para a elaboração de LDOs são adotadas pelos fabricantes.

 

As Arquiteturas

A seguir faremos uma breve análise de algumas arquiteturas encontradas em LDOs comerciais. As principais características são comuns, mas existem diferenças em alguns pontos, as quais devem ser consideradas no tipo específico para uma aplicação.

 

a) Arquitetura Tradicional

Na figura 5 temos a arquitetura tradicional de um LDO que faz uso de um transistor PNP para controlar a corrente principal. Esse transistor tem um transistor NPN controlado por um comparador de tensão como elemento que determina a sua condução. Na mesma configuração pode também ser usado um transistor de efeito de campo de potência de canal P (PMOS).

 


 

 

A principal característica dessa configuração está no uso de um transistor de potência de baixo ganho, excitado por uma alta corrente de base, o que permite obter uma baixa queda de tensão entre o coletor e o emissor, nas condições desejadas de operação.

Um circuito desse tipo pode apresentar quedas de tensão típicas de 0,3 e 0,6 V com uma corrente de 150 mA. Um ponto importante que deve ser levado em conta nesse tipo de regulador é que a carga é ligada ao coletor do transistor, ou seja, ele opera na configuração de emissor comum. Isso significa que a carga vê a fonte como um circuito de alta impedância.

 

b) Topologia Pole-Splitting

Essa configuração é mostrada na figura 6, usando também como elemento principal de controle ou dispositivo de passagem, tanto um transistor PNP como um MOSFET de potência de canal P.

 


 

 

Nesse circuito destaca-se o capacitor de compensação (Ccomp) interno ligado entre o coletor e a base do transistor. Esse componente ajuda a evitar os problemas que podem ser causados pela presença de C1 no circuito de entrada.

Essa configuração não é das melhores pois a presença de C1 afeta a rejeição de ripple da fonte que, não é das melhores.

 

c) Topologia AnyCAP

Essa é uma topologia desenvolvida pela Analog Devices (www.analog.com) que, conforme o nome sugere, permite o uso de capacitores de qualquer valor no circuito de entrada, sem que isso afete a rejeição de ripple e outras características do regulador. Na figura 7 temos um exemplo dessa topologia de LDOs de baixa corrente da Analog.

 


 

 

Com essa topologia a Analog tem como exemplo o circuito integrado ADP33O0 que fornece tensões de saída de 2,7 V a 5 V com uma queda de tensão de apenas 0,3 V apenas. Isso significa que numa fonte de 5 V ele pode ser alimentado com tensões a partir de 5,3 V.

Na figura 8 temos uma sugestão de circuito de aplicação com esse componente.

 


 

 

 

d) Controladores Reguladores

Uma outra categoria de regulador de tensão que pode ser empregado no projeto de LDO é o controlador de regulador. A diferença básica entre um regulador completo e o controlador de regulador é que no controlador de regulador, o transistor de potência ou de passagem, é um componente externo.

Assim, para esse tipo de componente temos uma topologia conforme a mostrada na figura 9.

 


 

 

Um exemplo típico de aplicação para um circuito regulador usando um controlador regulador é mostrado na figura 10.

 


 

 

O elemento de passagem é um transistor de potência MOS de canal P, observando-se ainda a existência de um resistor em série de 50 m? e como elementos adicionais do circuitos, dois capacitores de baixo valor.

Esse circuito opera com uma tensão de entrada a partir de 6 V e fornece uma saída regulada de 5 V com uma corrente máxima de 1 A.

O resistor tem por finalidade sensoriar a corrente no circuito de modo a fazer sua proteção em caso de curto-circuito ou sobrecarga.

Para uma configuração com saída de 2,8 V usando o controlador regulador ADP3310-2.8 temos o circuito mostrado na figura 11, em que também se faz uso de um transistor de efeito de campo de potência de canal P.

 


 

 

A corrente máxima de saída desse circuito é de 8 A e o resistor sensor tem apenas 5 m?. O circuito utiliza um MOSFET da Fairchild e o controlador regulador é da Analog Devices.

 

Conclusão

Vimos nesse artigo algumas formas de se obter configurações de reguladores com baixas quedas de tensão (LDO) tão necessários nas aplicações modernas em que o bom gerenciamento da energia é fundamental.

Evidentemente existem outras topologias a serem consideradas e que podem ser encontradas em outras aplicações. O que vimos dá uma idéia de como um regulador desse tipo pode ser conseguido com componentes comuns.

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