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5 V de Alto Rendimento para USB (ART1306)

Em Application Note, a Intersil (www.intersil.com) mostra como é possível obter um rendimento muito maior a partir de 3 V a 6 V de uma porta USB, utilizando-se um FET em lugar de um LDO. Neste artigo, mostramos como a Intersil faz isso, comparando os dois tipos de topologias.

Muitas aplicações que envolvem USB precisam de uma fonte estável de 5 V, o que é conseguido através de um circuito normalmente adotando a configuração mostrada na figura 1.

 

Figura 1 - Fonte de 5 V USB utilizando um regulador boost e um LDO.
Figura 1 - Fonte de 5 V USB utilizando um regulador boost e um LDO.

 

Este circuito utiliza um conversor boost para manter na saída 6,25 V mesmo quando a tensão de entrada varia entre 3 V e 6 V e aplica a esta tensão a um regulador linear com baixa queda de tensão, ou seja, um LDO.

O problema maior neste tipo de topologia está no fato de que as duas etapas do circuito apresentam perdas que acabam influindo no rendimento do circuito, mesmo empregando circuitos de alta eficiência como o EL7175 da Intersil, que o sugere.

Nesta configuração, levando-se em conta a eficiência de 80% dos dois circuitos (boost e LDO), temos uma eficiência total de apenas 64%. Veja que a eficiência depende do circuito boost escolhido num primeiro caso, e num segundo da diferença de tensão que existe entre a entrada e a saída do LDO. Pode-se, entretanto, conseguir muito mais eficiência, dependendo praticamente apenas do circuito boost, utilizando-se uma configuração diferente que é mostrada na figura 2.

 

Figura 2- Configuração de maior rendimento utilizando um PFET em lugar de um LDO.
Figura 2- Configuração de maior rendimento utilizando um PFET em lugar de um LDO.

 

Neste circuito, em lugar de um LDO utilizamos um PFET e um diodo Schottky em série de modo a manter a tensão de entrada no PFET num valor maior do que a tensão de saída do sistema. Isso faz com que o regulador boost funcione sempre no modo de maior eficiência. A tensão de saída vai ser fixada pelo combinação da tensão de chaveamento do PFET e pela tensão de referência dada pelo divisor resistivo ligado à sua comporta.

Neste circuito o PFET funciona como um resistor linear. Ele estará em plena condução quando a entrada estiver abaixo de 5 V. nesta tensão o EL7515 eleva a saída do sistema para 5 V sem perdas através do transistor. Quando a entrada for maior do que 5 V, o pino 10 do conversor boost percebe elevando a tensão de saída. Com isso, o divisor formado por R5 e R6 entra em ação aumentando a resistência do PFET e com isso trazendo a tensão de saída ao seu valor normal.

A diferença de eficiência pode ser avaliada pelas curvas mostradas na figura 3 e 4. Na figura 3 temos a eficiência para uma entrada de 3,3 Ve saída de 5 V. Observa a característica muito mais linear da configuração que faz uso de PFET. Evidentemente, estes valores também dependem da eficiência do conversor boost escolhido para a aplicação.

 

Figura 3 - Eficiência para uma saída de 5 V com entrada de 3,3 V e corrente até 500 mA.
Figura 3 - Eficiência para uma saída de 5 V com entrada de 3,3 V e corrente até 500 mA.

 

Para a figura 4 temos uma entrada de 5 V e saída de 5 V. Observe que enquanto a eficiência da configuração com PFET chega a 79% a eficiência com a configuração com LDO não passa de 75,5 % no melhor caso. A diferença entre a eficiência dos dois circuitos é visivelmente maior nas condições de baixas correntes de carga, chegando a 6%.

 

Figura 4 - Eficiência para uma entrada de 5 V e saída de 5 V.
Figura 4 - Eficiência para uma entrada de 5 V e saída de 5 V.

 

 

Conclusão

Nas aplicações sensíveis ao consumo, em que a eficiência do circuito é um fator importante de projeto, a utilização de um PFET em lugar de um LDO numa fonte de 5 V USB, deve ser considerada. A sugestão da Intersil é importante para os leitores que sempre estão em busca de idéias simples, porém eficientes para aplicar em seus projetos.

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