Circuit LDO :principes de base, principe de fonctionnement et applications

Vous concevez une stratégie de régulation de puissance pour votre PCB ? Ou vous travaillez sur la création d'une alimentation personnalisée pour votre carte ? Si oui, il est primordial de réfléchir à la meilleure façon de contrôler la puissance que vous envoyez à vos composants. Et cela s'applique, surtout si vous avez affaire à des systèmes numériques à haut débit. Alors, la source d'alimentation est-elle importante? Que vous soyez alimenté à partir d'une tension secteur ou d'une batterie, il est pertinent de contrôler la puissance d'entrée au meilleur niveau pour votre système. Par exemple, si vous utilisez l'alimentation d'une batterie, un circuit LDO sera idéal. Et c'est parce que le régulateur linéaire fournit une tension adéquate. De plus, il offre une tension stable inférieure à la tension d'entrée.

Cela dit, nous parlerons davantage du LDO en mettant en évidence ses éléments, ses principes de fonctionnement, ses applications, etc.

Commençons !

Qu'est-ce que LDO ?

LDO est un acronyme qui signifie Low Dropout. Vous pouvez également l'appeler régulateur linéaire à saturation ou à faible perte. Et il fonctionne à une faible PD (différence de potentiel) entre l'alimentation en tension d'entrée et de sortie.

Le régulateur LDO ne peut accepter que des tensions d'entrée légèrement supérieures à la tension de sortie préférée. Et c'est parce que l'appareil est un convertisseur DC-DC abaisseur avec une tension d'entrée variable. Ainsi, la tension de décrochage fait référence à la moindre variance reliant l'entrée et la tension de sortie préférée ou l'entrée d'alimentation.

De plus, quelle que soit la faible efficacité énergétique de l'appareil, il peut fonctionner de manière stable avec une faible tension de chute d'environ 1 V. Le régulateur de tension linéaire peut également offrir différents niveaux de tension avec une sortie stable et constante.

De plus, la tension de sortie du LDO est indépendante de la décharge, de la température, de la perte de puissance et de l'impédance de charge de la batterie. Par exemple, votre batterie Li-ion a une plage d'alimentation entrante de 2,7 V à 4,2 V. Le 2,7 V signifie une batterie complètement déchargée, tandis que le 4,7 V est une batterie complètement chargée. Ainsi, si la tension de votre batterie descend en dessous de 3 V, le LDO peut maintenir votre sortie à 2,5 V.

Quels sont les éléments du régulateur LDO ?

Les éléments ou composants clés d'un LDO incluent :

Amplificateur d'erreur

Amplificateur d'erreur dans le schéma de circuit

Source :Wikimedia Commons

Si vous envisagez de concevoir l'amplificateur d'erreur du LDO, il est essentiel de tirer le courant le plus faible possible. Pourquoi? Parce que la capacité de grille du transistor de passage est grande. Par conséquent, la résistance de sortie de l'amplificateur doit être très faible.

De plus, l'amplificateur d'erreur a deux entrées. Le premier est lorsque le diviseur de tension réduit la tension de sortie. Ensuite, la tension de référence est la suivante. Ainsi, lorsqu'il aura fini de comparer les deux entrées, l'amplificateur d'erreur modifiera la résistance de l'élément de passage.

Passer l'élément

Passer l'élément dans le schéma de circuit

Source :Wikimedia Commons

L'amplificateur d'erreur pilote l'élément de passage à l'intérieur de la boucle de rétroaction. Et l'élément de passage aide à déplacer la tension dans la charge à partir de l'entrée. De plus, vous pouvez utiliser le NMOS et le PMOS comme éléments de passage.

Lorsque vous regardez de près le circuit, vous remarquerez que le V_o(s) connecter au V_1(s) . De plus, le transistor PMOS a besoin d'une tension minimale pour réguler correctement et reste détrempé.

Et la plus petite tension drain-source V_2(s) est chargé de donner le moins de tension. Mais, il est important de noter que l'élément de passage PMOS n'est pas idéal pour les appareils à très basse tension.

En outre, vous pouvez obtenir une faible tension de chute, une sortie et une entrée avec le transistor NMOS. L'avantage du LDO basé sur les éléments de passage (NMOS) est que la sortie du régulateur réside dans la source du transistor. De plus, le NMOS entre dans la configuration du suiveur de source.

Référence de tension

Cet élément fait référence au point de départ de tout régulateur car il définit le point de fonctionnement de l'amplificateur d'erreur. Vous pouvez également utiliser une référence de tension de type bande interdite, car elle permet de travailler à de faibles tensions d'alimentation.

Condensateur de sortie

Condensateur de sortie puissant

Source :Wikimedia Commons

En cas de transitoires de charge, le condensateur de sortie permet au LDO de déplacer le courant à l'intérieur de la charge et l'amplificateur d'erreur est activé.

De plus, l'ESR du condensateur joue un rôle énorme car il limite le flux de tension se déplaçant dans la charge depuis le condensateur. Ainsi, si vous travaillez avec un condensateur de 1 µF doté d'une plage ESR (10 à 300 m Ohms), vous pouvez utiliser les types de condensateurs suivants :

• Condensateurs au tantale à faible ESR
• Condensateurs céramiques
• Condensateurs électrolytiques polymères

Commentaires

Cet élément vous aide à réduire la tension de sortie. De plus, il permet la comparaison entre la tension de référence et la tension de sortie à l'aide de l'amplificateur d'erreur.

Caractéristiques du LDO

1. Le régulateur à faible bruit peut produire une tension constante. Et il le fait sans être affecté par le changement de tension d'entrée. Ainsi, le LDO est parfait pour fournir une tension aux appareils sujets au bruit.
2. L'appareil nécessite certains composants externes (résistances ou condensateurs).
3. LDO a une fonction de limitation de courant qui protège les systèmes de la chaleur excessive.
4. LDO dispose d'un circuit de décharge de sortie qui aide à se décharger rapidement et à faire chuter la tension de la borne de sortie à proximité du GND IC.
5. L'appareil dispose d'une fonction d'arrêt thermique, ce qui permet d'éviter la destruction et la détérioration.

Comment fonctionne le LDO ?

Schéma du circuit du régulateur de tension LDO

Les principaux composants du LDO sont la source de tension de référence, l'élément de passage et l'amplificateur d'erreur. Et l'élément de passage est soit un FET à canal P, soit un canal N. Ainsi, il commence par appliquer la tension d'entrée à l'élément de passage (transistor à canal N).

Ensuite, le transistor fonctionne dans une région linéaire pour diminuer la tension d'entrée. Ce processus se poursuit jusqu'à ce que la tension d'entrée atteigne la tension de sortie préférée. À ce stade, l'amplificateur d'erreur reconnaît la tension de sortie résultante. Ensuite, l'amplificateur d'erreur comparera les deux paramètres (tension de sortie et de référence).

De plus, l'amplificateur d'erreur modifiera la porte du FET au point de fonctionnement correct. Par conséquent, cela aide à garantir que la sortie a une tension précise. Par conséquent, l'amplificateur d'erreur ajustera le FET pour avoir une tension de sortie constante lorsque la tension d'entrée change.

Que se passe-t-il lorsque les conditions de fonctionnement sont en régime permanent ? Eh bien, le LDO agira comme une simple résistance. De plus, vous pouvez activer ou désactiver le régulateur avec sa broche Enable. Cette fonction permet aux utilisateurs d'éviter l'utilisation de la batterie, lorsque le LDO n'est pas utilisé.

Quand utilisez-vous un LDO ?

1. Si vous disposez d'une large plage de tension d'entrée, le LDO est idéal. Cependant, il est essentiel d'envisager d'obtenir une tension de sortie stable de l'alimentation. De plus, vous n'aurez pas besoin d'ajuster le signal PWM dans la boucle de rétroaction. Et c'est parce que les composants n'ont pas besoin de rétroaction vers l'élément de commutation.
2. Vous pouvez utiliser un LDO lorsque vous avez besoin que votre système ait une puissance de sortie constante, quelle que soit la chute de tension d'entrée.
3. Le LDO est également utile pour réduire la sortie afin qu'elle corresponde à la tension de sortie préférée.

Autres circuits LDO avancés

Un LDO avancé vise à donner une tension de référence sélectionnable par l'utilisateur. Cette fonction rend l'appareil programmable.

En règle générale, le LDO peut contourner les hautes fréquences vers la terre. Et tout cela grâce au condensateur shunt diagonal à la sortie. Mais les concepteurs de circuits accordent plus d'attention au filtrage de la sortie d'un régulateur à plusieurs étages. Malheureusement, ils ne se concentrent pas sur le filtrage des entrées.

Par conséquent, vous pouvez augmenter votre LDO avec des filtres EMI. De cette façon, votre appareil sera conforme EMC/CISPR. Fait intéressant, cette fonctionnalité est cruciale pour produire des harmoniques d'ordre supérieur avec des régulateurs à découpage.

De plus, vous pouvez également ajouter d'autres aspects nécessaires pour améliorer la distribution de l'alimentation de votre système (analogique et numérique).

Paramètres importants pour sélectionner un LDO

Voici des paramètres importants à prendre en compte avant de choisir un LDO :

Régulation de charge

Ce paramètre fait référence à la capacité du circuit à maintenir une tension de sortie particulière dans différentes conditions de charge.

Régulation de charge =∆Vout/ ∆Iout

Courant de repos

Quiescent est un état de dormance. Par conséquent, un courant de repos correspond au moment où un système consomme du courant en mode veille. De plus, cela ne se produit que lorsqu'une batterie se connecte à votre appareil.

Réponse transitoire

La réponse transitoire décrit la différence de tension de sortie la plus élevée autorisée pour un changement d'échelon de courant de charge. Vous pouvez également appeler la réponse d'étape de ligne. Et ce paramètre est une fonction de ce qui suit :

Courant de charge maximum (I_{out max} )

ESR du condensateur de sortie

Valeur du condensateur de sortie (C_out )

Condensateur de dérivation (C_b )

L'équation de la réponse transitoire est :

∆Vtr, max =(Iout, max / Cout + Cb) ∆t1 + ∆VESR

Règlement de ligne

La régulation de ligne est la capacité d'un circuit à conserver une tension de sortie particulière avec une tension d'entrée différente. Et vous pouvez l'exprimer ainsi :

Règlement de ligne =∆Vout / ∆Vin

PSRR (rapport de rejet d'alimentation)

Le PSSR d'un LDO correspond au moment où l'appareil peut rejeter les éléments CA. Un bon exemple d'éléments AC est la tension d'ondulation. Vous pouvez donc l'exprimer avec l'équation ci-dessous :

PSRR (dB) =20 log (Vripple (in)/ Vripple (out))

Applications du circuit LDO

Vous pouvez utiliser le circuit LDO dans les applications suivantes :

• Alimentation linéaire à haut rendement
• Ordinateurs
• Post-régulateur SMPS et modules DC/DC
• Communication sans fil et filaire
• Application automobile
• Appareils alimentés par batterie
• Réglementation VPP/PCMCIA VCC
• Application industrielle
• Fourniture de cœur numérique

Derniers mots

Le circuit LDO joue un rôle important dans l'industrie électronique. Après tout, la plupart des alimentations nécessitent un régulateur linéaire pour obtenir une tension préférée. Ainsi, l'appareil est idéal pour les projets qui nécessitent une puissance de sortie constante quelle que soit la chute de tension d'entrée.

En outre, vous pouvez vous référer au schéma de circuit pour comprendre les principaux composants. Que pensez-vous des régulateurs LDO ? N'hésitez pas à nous contacter pour plus d'informations.