Català
Temps: 2026/07/16
Navegar: 429

Un regulador LDO (Baixa Caiguda) és un regulador de voltatge lineal que converteix una entrada DC més alta en una sortida més baixa i estable. Pot operar amb només una petita diferència de voltatge entre l'entrada i la sortida, fet que el fa útil per a sistemes d'energia de baixa tensió.
Un LDO utilitza un amplificador d'error, una xarxa de retroalimentació i un transistor de pas per mantenir la tensió de sortida estable. El condensador de sortida redueix els canvis de voltatge i millora la resposta quan canvia el corrent de càrrega. Com que no utilitza commutació d'alta freqüència, un LDO proporciona poc soroll i produeix poc soroll electromagnètic.

No obstant això, un LDO converteix el voltatge sobrant en calor. Funciona millor quan el voltatge d'entrada és a prop del voltatge de sortida i el corrent de càrrega és moderat.
• Baixa tensió de caiguda
• Poc soroll de sortida
• Alt PSRR
• Disseny de circuit senzill
• No es requereix inductor
• Baixa EMI
• Ràpida resposta transiente
• Sortida fixa o ajustable
• Mida compacta de PCB
• Protecció integrada contra corrent i calor
Un convertidor buck, també anomenat convertidor de pas, redueix un voltatge d'entrada DC més alt a un voltatge d'output més baix i estable. Utilitza commutació d'alta velocitat per transferir energia de manera eficient, així que normalment produeix menys calor que un regulador lineal.
Com es mostra al diagrama, el dispositiu de commutació encén i apaga el voltatge d'entrada. L'inductor emmagatzema energia quan l'interruptor està activat i la allibera quan l'interruptor està desactivat. El diod proporciona un camí de corrent durant el període d'apagat, mentre que el condensador suavitza el voltatge de sortida abans que l'energia arribi a la càrrega.

Els convertidors buck són adequats per a circuits que necessiten alta eficàcia i un corrent de sortida més alt. No obstant això, requereixen una selecció curosa dels components i un disseny de PCB per reduir el soroll de commutació i l'EMI.
• Redueix un voltatge DC més alt
• Alta eficiència de conversió
• Menor generació de calor
• Adequat per a un corrent de sortida més alt
• Utilitza un interruptor, inductor, diod i condensador
• Regula la sortida mitjançant control de commutació
• Produeix ondulació de commutació i EMI
• Requereix un disseny de PCB curos
LDO i convertidors buck redueixen un voltatge DC més alt a un voltatge regulat més baix, però utilitzen diferents principis de funcionament. La millor opció depèn de la diferència de voltatge, del corrent de càrrega, del soroll, dels límits thermals, de la potència en espera, de l'espai a la PCB i de la complexitat del disseny.
L'eficàcia d'un LDO es determina principalment pel ratio entre el seu voltatge de sortida i el voltatge d'entrada. Quan el corrent de sortida és molt més gran que el corrent de quiescència de l'LDO, la seva eficàcia aproximada és:

Per exemple:
| Voltatge Conversió |
Eficàcia LDO Aproximada |
Voltatge Perdut com a Calor |
| 3.6 V a 3.3 V |
91.7% |
8.3% |
| 5 V a 3.3 V |
66.0% |
34.0% |
| 12 V a 5 V |
41.7% |
58.3% |
| 12 V a 3.3 V |
27.5% |
72.5% |
Aquests valors són aproximacions ideals. L'eficàcia real és lleugerament inferior perquè l'LDO també consumeix corrent de quiescència.
Un convertidor buck és generalment més eficient quan el voltatge d'entrada és substancialment més alt que el voltatge de sortida. Molts convertidors buck seleccionats adequadament poden aconseguir alta eficàcia en càrregues moderades i pesades, tot i que el rendiment real depèn de les pèrdues per commutació, les pèrdues de conducció, la freqüència de funcionament, la resistència de l'inductor i el corrent de càrrega.
Un LDO esdevé més competitiu quan el voltatge d'entrada és només lleugerament més alt que el voltatge de sortida. També pot consumir menys potència total amb càrregues extremadament lleugeres quan el seu corrent de quiescència és inferior al corrent de funcionament del convertidor buck.
Un LDO converteix la diferència de voltatge entre la seva entrada i sortida en calor. La seva pèrdua de potència aproximada és:
PLOSS ≈(VIN-VOUT) IOUT
Per a una major precisió, inclou la potència consumida pel corrent de quiescència de l'LDO:
PLOSS =(VIN-VOUT) IOUT+VINIQ
Per exemple, un LDO que converteix 12 V a 5 V a 500 mA dissipa aproximadament:
PLOSS =(12-5)×0.5= 3.5W
Això és una quantitat elevada de calor per a molts paquets de reguladors petits. La mateixa conversió utilitzant un convertidor buck normalment produiria molt menys pèrdua de potència.
La temperatura estimada de la unió és:
TJ≈TA+PLOSSθJA
On:
• TJ és la temperatura de la unió
• TA és la temperatura ambient
• PLOSS és la pèrdua de potència del regulador
• θJA és la resistència tèrmica de la unió a l'ambient
Per exemple, si la temperatura ambient és de 40°C, la pèrdua de potència és de 1 W, i θJA és de 50°C/W:
TJ≈40+(1×50)=90∘C
La resistència tèrmica que es llista en una fitxa tècnica no s'ha de tractar com un valor real fix perfectament. El rendiment tèrmic real depèn fortament de:
• Tipus de paquet
• Àrea de coure de la PCB
• Nombre de capes de coure
• Vies tècniques
• Grosor del tauler
• Flux d'aire
• Fonts de calor properes
• Col·locació dels components
• Condicions de prova de la fitxa tècnica
Un regulador pot, per tant, funcionar a una temperatura de unió molt més alta o més baixa del que suggereix un càlcul bàsic.
Un LDO normalment produeix una sortida més neta perquè no genera transicions de commutació. No obstant això, descriure cada LDO com a "silenciós" és incomplet. La seva qualitat de sortida depèn del soroll intern, de la ràtio de rebuig de subministrament, de la freqüència d'oscil·leig d'entrada, del condensador de sortida, del corrent de càrrega i del disseny de la PCB.
Les característiques de soroll importants d'un LDO inclouen:
• Soroll de sortida intern: Soroll produït pel referent de l'LDO, l'amplificador d'error i el circuit intern.
• Rebuig d'oscil·leig d'entrada: Capacitat de l'LDO per prevenir que l'oscil·leig d'entrada aparegui a la seva sortida. Això s'especifica com a ràtio de rebuig de subministrament, o PSRR.
• PSRR dependent de la freqüència: Un LDO pot rebutjar efectivament l'oscil·leig de baixa freqüència però proporcionar un rebuig molt més feble a la freqüència de commutació del convertidor buck i als harmònics.
Un LDO de baix soroll encara pot funcionar malament quan el seu PSRR és feble a la freqüència de l'oscil·leig entrant. Per tant, tant la densitat de soroll de sortida com les corbes PSRR s'han de comprovar a la fitxa tècnica.
Un convertidor buck produeix naturalment soroll relacionat amb la commutació, incloent:
• Oscil·leig de freqüència de commutació
• Harmònics de commutació
• Corrent d'oscil·leig de l'inductor
• Resplendor del node d'interrupció
• Pulsos de corrent d'entrada
• Soroll causat per la modulació de freqüència de pols
• Soroll de transició de mode a càrrega lleugera
El seu espectre de soroll també canvia amb el mode de funcionament i el corrent de càrrega. En càrrega lleugera, alguns convertidors buck entren en modulació de freqüència de pols, omitint polsos o mode de ràfega. Aquests modes milloren l'eficiència però poden introduir ones de baixa freqüència que poden afectar àudio, sensors, circuits RF o sistemes analògics de precisió.
Els convertidors buck requereixen un disseny de PCB més acurat perquè contenen corrents i tensions que canvien ràpidament. Fins i tot un convertidor buck seleccionat correctament pot funcionar malament quan el disseny és deficient.
Les següents àrees requereixen atenció particular:
• Àrea de bucle calenta: El bucle de commutació de corrent alt ha de ser tan petit com sigui possible per reduir EMI radiada i conduïda.
• Coure del node de commutació: El node de commutació té un alt dv/dt. La seva àrea de coure ha de ser petita i mantenir-se allunyada de traçades sensibles.
• Rutes de retorn a terra: Les rutes de potència a terra de corrent alt no han de compartir rutes de retorn no controlades amb senyals analògics o de retroalimentació sensibles.
• Col·locació del condensador d'entrada: El condensador d'entrada d'alta freqüència ha de ser col·locat just al costat dels pins VIN i de potència a terra del convertidor.
• Col·locació de l'inductor: L'inductor ha de estar a prop del node de commutació i posicionat lluny de circuiteria analògica sensible.
• Disseny de retroalimentació: El traçat de retroalimentació ha de detectar la sortida regulada en un punt tranquil i evitar el node de commutació, l'inductor i bucles de potència sorollosos.
• Apilament de capes: Un pla de terra continu i capes de potència i terra estretament acobladés ajuden a reduir la inductància del bucle i EMI.
• Filtratge: Es poden necessitar filtres d'entrada, filtres de sortida, beads de ferrita o xocs de mode comú en dissenys sensibles al soroll.
• Blindatge: Es poden requerir inductors blindats o blindatge a nivell d'armari per a límits estrictes de compatibilitat electromagnètica.
Un disseny deficient pot causar ones excessives, inestabilitat, oscil·lació, detecció de retroalimentació incorrecta, sobrecalentament, proves d'EMI fallides o interferència amb circuits analògics i RF propers.
Un LDO és normalment més fàcil de dissenyar perquè no té un node de commutació ni un inductor. No obstant això, encara requereix una correcta connexió a terra, connexions curtes dels condensadors i compliment amb les recomanacions d'estabilitat del fabricant.
Un LDO només pot regular correctament quan la seva tensió d'entrada es manté per sobre de la seva tensió de sortida per almenys la tensió de caiguda requerida:
VIN ≥VOUT +VDO
Per exemple, un LDO amb una sortida de 3.3 V i una tensió de caiguda de 300 mV requereix almenys:
VIN ≥3.3+0.3=3.6 V
Si l'entrada cau per sota d'aquest nivell, el regulador entra en caiguda. La sortida ja no està regulada de manera estricta i generalment disminueix a mesura que la tensió d'entrada cau.
La tensió de caiguda no és una constant única per a totes les condicions. Normalment augmenta amb:
• Major corrent de sortida
• Major temperatura de unió
• Variació de procés
• Canvis en les condicions de funcionament del transistor de pas
Heu de comprovar la tensió de caiguda al corrent de càrrega real i a la temperatura. Un valor de caiguda mesurat en una càrrega lleugera pot ser molt més baix que la tensió de caiguda a càrrega completa.
Els convertidors buck també requereixen un marge mínim d'entrada a causa dels límits màxims del cicle de treball i les pèrdues internes. No obstant això, solen gestionar una diferència de tensió d'entrada a sortida molt més gran de manera més eficient que un LDO.
El corrent de quiescència esdevé crític en circuits alimentats per bateria que passen la major part del seu temps dormint. Les especificacions importants inclouen:
• Corrent a terra de l'LDO: Corrent utilitzat per la circuiteria interna de l'LDO i retornat a través del seu pin de terra.
• Corrent d'operació del buck: Corrent consumit pel controlador, drivers de porta, referència, oscil·lador i circuits de protecció mentre regula.
• Corrent de desactivació: Corrent consumit després que el regulador és desactivat.
• Comportament de PFM a càrrega lleugera: Alguns convertidors buck redueixen l'activitat de commutació a càrrega lleugera per millorar l'eficiència.
• Consum sense càrrega: Potència consumida quan la sortida subministra poc o cap corrent extern.
• Corrent de rail sempre activat: Important per a rellotges en temps real, controladors de despertament, sensors i rails de retenció de memòria.
• Comportament de càrrega de cicle de treball: El regulador ha d'utilitzar poc energia durant el son mentre encara respon correctament quan la càrrega es desperta.
Un convertidor buck pot tenir alta eficiència màxima però encara consumir més energia que un LDO de baix corrent de quiescència en un sistema en profund son. A l'inrevés, un convertidor buck modern amb corrent d'operació molt baix pot proporcionar millor durada de bateria quan la diferència de tensió és gran.
El corrent de quiescència és especialment important per a:
• Sensors de piles de moneda
• Electrònica portable
• Instruments remots
• Nòduls de sensors sense fils
• Rastrejadors d'actius
• Comptadors intel·ligents
• Dispositius IoT
El regulador s'ha d'avaluar durant tot el cicle d'operació del dispositiu, no només a la seva càrrega màxima.
La resposta transient de càrrega descriu com manté el regulador la seva tensió de sortida quan la corrent de càrrega canvia de sobte. Els canvis ràpids de corrent són comuns quan un MCU, FPGA, ràdio, processador o sensor canvia d'estat d'operació.
Durant un augment sobtat de càrrega, la tensió de sortida pot caure temporalment. Durant una disminució sobtada de càrrega, pot superar la tensió. La mida i la durada d'aquests canvis de tensió depenen de:
• Amplada de banda del bucle de control
• Capacitat de sortida
• ESR i ESL del condensador
• Capacitat de corrent del regulador
• Compensació del convertidor buck
• Estabilitat del bucle LDO
• Resistència i inductància de les pistes del PCB
• Distància entre el regulador i la càrrega
• Velocitat i magnitud del pas de corrent
Els LDO poden proporcionar una resposta transient ràpida, especialment quan es troben a prop de la càrrega. No obstant això, el seu rendiment depèn del disseny del bucle de control i del tipus i valor del condensador de sortida. Alguns LDO requereixen un rang de capacitància o ESR específic per mantenir-se estables.
Els convertidors buck també poden proporcionar un bon rendiment transient, però la seva resposta depèn de l'arquitectura de control, freqüència de commutació, compensació, valor d'inductor i capacitància de sortida disponible. Un convertidor malament compensat pot respondre lentament o tornar-se inestable.
Per a càrregues digitals ràpides, s'haurien de col·locar condensadors de desacoblament ceràmics locals a prop dels pins d'alimentació del dispositiu, fins i tot quan el regulador principal estigui a prop.
S'ha de comparar la solució completa d'alimentació en lloc de considerar només el circuit integrat del regulador.
Un circuit bàsic LDO pot requerir només:
• Regulador LDO
• Condensador d'entrada
• Condensador de sortida
Un convertidor buck normalment requereix:
• Circuit integrat del regulador buck
• Inductor
• Condensadors d'entrada
• Condensadors de sortida
• Resistències de retroalimentació per a versions ajustables
Depenent del disseny, també pot requerir:
• Condensador bootstrap
• Components de compensació
• Condensador de inici suau
• Xarxa snubber
• Filtre d'entrada
• Filtre de sortida
• Bead de ferrita
• Components de protecció addicionals
Un LDO normalment ocupa menys espai al PCB en circuits simples de baixa corrent. No obstant això, un LDO d'alta potència pot requerir una gran àrea de coure o un dissipador de calor per a la gestió tèrmica. En aquesta situació, un convertidor buck compacte pot utilitzar menys àrea total de placa perquè genera menys calor.
Els convertidors buck d'alta integració amb inductors interns o sortides fixes també poden reduir el comptatge de components externs, tot i que poden costar més.
Un LDO normalment té un cost inicial de component més baix i requereix menys esforç d'enginyeria. Un convertidor buck té més components i més variables de disseny, però pot reduir l'ús d'energia i els problemes tèrmics.
Una comparació de costos completa hauria d'incloure:
• Preu del circuit integrat del regulador
• Cost de l'inductor
• Cost del condensador
• Components de filtre addicionals
• Àrea del PCB
• Nombre de col·locacions d'assemblatge
• Requeriments de disseny tèrmic
• Proves EMI i certificació
• Temps d'enginyeria i validació
• Risc de fallida i re treball
• Capacitat de bateria o requeriments d'alimentació
• Consum d'energia a llarg termini
Per a un rail de baixa corrent amb una petita diferència de tensió d'entrada a sortida, un LDO és sovint l'opció més senzilla i menys costosa. Per a una corrent més alta o una gran reducció de tensió, un convertidor buck pot tenir un cost de component més alt però proporcionar menys calor, més durada de bateria i millor eficiència general del sistema.
El circuit integrat del regulador amb el cost més baix no sempre produeix el producte acabat més barat. Un LDO barat pot requerir més àrea de placa, protecció tèrmica o una font d'alimentació més gran. De manera similar, un convertidor buck mal dissenyat pot augmentar costos a través de fallides EMI, re treball de components o problemes de fiabilitat.
Utilitzeu un LDO quan la tensió d'entrada és només lleugerament superior a la tensió de sortida i la corrent de càrrega és prou baixa per mantenir la calor sota control. També és adequat per circuits de baix soroll com ADC, DAC, PLL, sensors, etapes d'àudio i seccions RF.
Un LDO és una bona elecció quan necessiteu un circuit senzill, de baix cost i amb pocs components externs. També es pot col·locar després d'un convertidor buck per reduir el ripple i proporcionar un subministrament més net per circuits sensibles.
Els LDO de baix corrent de quiescència són útils per a rails sempre actius, dispositius portàtils, sensors de pila de moneda i dispositius IoT que passen la major part del seu temps en mode de repòs. No obstant això, el sistema ha de poder acceptar l'eficiència i les pèrdues de calor causades per la diferència de tensió d'entrada a sortida.
Utilitzeu un convertidor buck quan la tensió d'entrada és molt més alta que la tensió de sortida o quan la càrrega requereix una alta corrent. És més eficient que un LDO per a grans reduccions de tensió i produeix menys calor.
Els convertidors buck són adequats per a processadors, FPGAs, LEDs, motors, radios, pantalles i altres càrregues que requereixen diversos watts de potència. També són útils en dispositius alimentats per bateries on un temps de funcionament més llarg és important.
Un convertidor buck és una bona opció quan l'espai tèrmic és limitat o la tensió d'entrada canvia en un ampli rang. Tanmateix, el PCB s'ha de dissenyar amb cura per controlar el ripple de commutació i EMI.
Un convertidor buck seguit d'un LDO crea una font d'alimentació híbrida:
Entrada → Convertidor Buck → LDO → Càrrega sensible
El convertidor buck redueix eficaçment la major part de la tensió. A continuació, l'LDO proporciona una sortida final més neta per a circuits sensibles al soroll com ara ADCs, sensors, dispositius RF i circuits analògics.
El convertidor buck s'encarrega de la gran reducció de tensió amb alta eficiència. L'LDO elimina part del ripple restant i millora la regulació de la sortida.
La pèrdua de potència de l'LDO és:
PLDO =(VBUCK OUT -VLDO OUT )ILOAD
Per exemple, reduir de 3.6 V a 3.3 V a 500 mA produeix:
PLDO =(3.6-3.3)(0.5)=0.15W
La sortida del buck ha de romandre per sobre de la tensió de sortida de l'LDO amb un marge suficient per cobrir el dropout, el ripple i els transitoris de càrrega:
VBUCK OUT(min) ≥VLDO OUT +VDROP(max) +VMARGIN
Ajustar la tensió del buck massa alta augmenta la calor de l'LDO. Ajustar-la massa baixa pot fer que l'LDO entri en dropout i perdi la regulació.
PSRR mostra quina eficàcia té l'LDO per reduir el ripple d'entrada:

Comproveu el gràfic PSRR a la freqüència de commutació actual del convertidor buck i harmònics. No us hi dugueu només amb el PSRR de baixa freqüència perquè el rebuig normalment disminueix a freqüències més altes.
Un disseny de buck més LDO pot no ser pràctic quan:
• Les tensions d'entrada i sortida ja són pròximes
• L'LDO té un marge de dropout insuficient
• El convertidor buck ja compleix els requisits de soroll
• El PSRR d'alta freqüència és dolent
• El cost afegit i l'espai del PCB són inacceptables
• L'eficiència total es torna massa baixa
Aquest disseny és més útil quan la tensió d'entrada és molt més alta que la sortida requerida i la càrrega necessita tant una bona eficiència com un soroll baix.
| Regulador |
Problema Comú |
Causa Possible |
Solució |
| LDO |
La tensió de sortida és massa baixa |
La tensió d'entrada és per sota del marge de dropout requerit |
Augmenteu la tensió d'entrada o trieu un LDO amb una tensió de dropout més baixa |
| Escalfament excessiu |
Gran diferència de tensió d'entrada a sortida o alta corrent de càrrega |
Reduïu la tensió d'entrada, disminuïu la corrent de càrrega o milloreu la dissipació de calor del PCB |
|
| Oscil·lació de sortida |
Valor, tipus o ESR del condensador de sortida incorrectes |
Utilitzeu el condensador recomanat a la fulla de dades de l'LDO |
|
| Soroll de sortida alt |
Mal aterrament, condensador inadequat o subministrament d'entrada sorollós |
Milloreu la distribució del PCB, afegiu condensadors de bypass adequats i utilitzeu un LDO de baix soroll |
|
| Caiguda de la sortida durant canvis de càrrega |
Reserva d'entrada insuficient o capacitància de sortida |
Augmenteu el marge de tensió i utilitzeu el condensador de sortida recomanat |
|
| Convertidor Buck |
La tensió de sortida és inestable |
Distribució de feedback pobra o compensació incorrecta |
Manteu la traça de feedback allunyada del node de commutació i seguiu el disseny de referència |
| Ripple de sortida excessiva |
Inductor incorrecte, capacitància insuficient o mala distribució |
Seleccioneu l' inductor i els condensadors correctes i escurçar els bucles d'alta corrent |
|
| Sobrecalentament |
Alta corrent, pèrdues de commutació o inductor saturat |
Utilitzeu un convertidor i inductor amb una qualificació més alta, i milloreu el disseny tèrmic |
|
| Soroll audible |
Funcionament en salt impresso o inductors i condensadors vibrants |
Utilitzeu el mode PWM forçat o components dissenyats per reduir el soroll acústic |
|
| Interferència electromagnètica |
Grans bucles de commutació o col·locació de components pobra |
Minimitzeu l'àrea del bucle de commutació i col·loqueu els condensadors d'entrada a prop del IC |
|
| El convertidor no s'inicia |
Voltatge d'habilitació incorrecte, bloqueig per baix voltatge o càrrega excessiva |
Comproveu el pin d'habilitació, el voltatge d'entrada, el circuit d'inici suau i la condició de càrrega |
|
| Pics de voltatge de sortida |
Transitoris de càrrega, mala compensació o capacitància insuficient |
Milloreu la compensació i afegiu condensadors de sortida de baixa ESR adequats |
Un LDO pot reduir part del ripple del conversor buck, però no pot solucionar un disseny de PCB deficient, un sondeig sever, una compensació inestable o soroll de terra. La fase buck ha d'operar correctament primerament. L'LDO només ha de proporcionar regulació final i filtratge de soroll addicional.
Amb càrregues molt lleugeres, les pèrdues en la commutació i en el circuit de control poden esdevenir grans en comparació amb la potència subministrada a la càrrega. Alguns conversors entren en mode de salt de pols o mode de ràfega per millorar l'eficiència, però aquests modes poden augmentar el ripple de baixa freqüència.
Alguns LDOs moderns estan dissenyats per funcionar sense un condensador de sortida extern, però molts en necessiten un per a la estabilitat i la resposta transitària. Sempre seguiu els requisits de la fitxa tècnica per a la capacitància, l'ESR, la classificació de voltatge i la col·locació.
Quan el corrent de l'inductor supera la seva classificació de saturació, la seva inductància cau. El corrent pot augmentar ràpidament, causant un ripple excessiu, sobreescalfament, operació amb límit de corrent, sortida inestable o danys als components.
El soroll pot provenir del referent intern de l'LDO, un PSRR feble a la freqüència de ripple d'entrada, una mala connexió a terra, condensadors incorrectes o soroll acoblat a través dels circuits de commutació propers. Un valor baix de soroll de titular no garanteix un baix soroll en cada disseny.
El mode de conducció contínua és comú a càrregues mitjanes i altes perquè el corrent de l'inductor no cau a zero. El mode de conducció discontinua sovint apareix a càrregues lleugeres i pot millorar l'eficiència, però pot augmentar el ripple i canviar el comportament de control del conversor.
CAP CER 0.047UF 50V X7R 0805
CAP CER 1200PF 25V 0402
CAP CER 0.033UF 16V 0402 EPOXY
IC PROM SER 1MBIT 3.3V 20-SOIC
IC FPGA 650 I/O 1508FBGA
JAPAN BGA
BT152-600R NXP
AS6001SP8 ACCEL
PS2232BC-F PHISON
IC RTC PHANTOM CHIP PAR 16SOIC
CONN HEADER VERT 8POS
LC4512V75F256-101 LATTICE

