Was ist ein Linear-Regler (LDO-Regler)?

Einführung

Im vorherigen Band dieser Serie haben wir Ihnen kurz erklärt, wo und wie Power-Management-ICs in allgemein eingesetzt werden. In dieser Ausgabe werden wir eine Ausführung eines Spannungsreglers, den Linearregler, erklären.

Erinnern Sie sich daran, dass es zwei Arten von Spannungsreglern gibt: den linearen und den schaltenden Typ?

Lineare Spannungsregler lassen sich in zwei weitere Typen unterteilen: den Series-Typ, bei dem ein Transistor als variabler Widerstand in Reihe zwischen Eingang und Last geschaltet ist *1, und den Shunt-Typ, bei dem ein Transistor parallel zur Last geschaltet ist. In dieser Ausgabe werden wir uns ausschließlich auf den Serienregler konzentrieren, da dieser Typ häufiger verwendet wird als der Shunt-Typ, dessen Einsatz recht begrenzt ist. Fangen wir also an.

Lineare Regler

Die einfachsten Regler sind die so genannten 3-Pin-Regler, die eine stabile Festspannung ausgeben, indem sie einfach einen Eingangskondensator (CIN) zwischen den VIN- und den GND-Stiften und einen Ausgangskondensator (COUT) zwischen den VOUT- und den GND-Stiften einfügen.

Wie können diese Regler dann eine stabile Festspannung ausgeben?

Wir werden darauf eingehen, welche Komponenten Linearregler enthalten und wie sie eine feste Spannung ausgeben.

Abbildung 1 unten zeigt eine kurze Darstellung der Schaltungsstruktur eines Linearreglers.

Die Abbildung verdeutlicht, dass der Regelkreis die Ausgangsspannung überwacht und den Widerstandswert des variablen Widerstands regelt, damit das IC die eingestellte feste Spannung ausgeben kann. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung (VIN) fest ist, kann ein Linearregler eine stabile Ausgangsspannung aufrechterhalten, indem er das Verhältnis zwischen dem variablen Widerstandswert und dem Lastwiderstandswert entsprechend der Änderungsrate des Lastwiderstandswertes festhält. Die Eingangsspannung wird durch die beiden Widerstände geteilt, so dass Linearregler eine niedrigere Ausgangsspannung als ihre Eingangsspannung erzeugen. Die Differenz zwischen der höheren Eingangsspannung und der niedrigeren Ausgangsspannung erzeugt Wärme, die als Abwärme bezeichnet wird. Der Strom, der im Lastwiderstand fließt, fließt weiter zum variablen Widerstand, wo der Strom verbraucht wird, und etwas Wärme erzeugt wird.

Abbildung 2 veranschaulicht diese Zusammenhänge. Bei einem Laststrom von 100 mA beispielsweise verbraucht ein Regler mit 5 V Eingangsspannung und 2 V Ausgangsspannung 0,3 W von 0,5 W elektrischer Eingangsleistung in Form von Wärme.

Abbildung 2. Betrieb eines Linearreglers

Schaltungsaufbau eines Linearreglers

Linearregler haben vier grundlegende Komponenten: einen Ausgangstreibertransistor, eine Referenzspannungseinheit, einen Rückkopplungswiderstand und einen Fehlerverstärker. Abbildung 3 zeigt die grundlegende Struktur eines typischen Linearreglers.

Abbildung 3. Grundlegende Struktur eines Linearreglers

 

Die Funktionen der einzelnen Komponenten sind wie folgt:

1. Transistor als Ausgangstreiber

Abbildung 3 ist ein Beispiel für einen Linearregler, der mit einem MOS-Transistor aufgebaut ist. Dieser Transistor entspricht dem in Abbildung 1 dargestellten variablen Widerstand.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, liefern der VIN-Pin und der VOUT-Pin den gesamten durch den Treibertransistor fließenden Strom an die Last, wenn der Last- und der Eingangsstrom mit 100 mA gleich sind. Linearregler halten eine feste Ausgangsspannung aufrecht, indem sie den Widerstand des Treibertransistors mit einer Steuerschaltung (siehe Abbildung 1) regulieren, die aus einem Rückkopplungswiderstand, einer Referenzspannungseinheit und einem Fehlerverstärker besteht.

2. Rückkopplungswiderstand

Ein Rückkopplungswiderstand (RFB) hat seinen Namen von seiner Funktion, die Ausgangsspannung mit zwei Widerständen (R1 und R2) zu teilen und die geteilte Spannung an einen Fehlerverstärker zurückzugeben. Die geteilte Spannung wird als Rückkopplungsspannung (VFB) bezeichnet. Das Kürzel "FB" steht für FeedBack. Ein Rückkopplungswiderstand hat die Aufgabe, einen festen Ausgangsspannungspegel des Linearreglers festzulegen, und der Ausgangsspannungspegel wird durch das Widerstandsverhältnis von R1 und R2 bestimmt.

Der Ausgangsspannungsbereich ist produktspezifisch, und innerhalb des spezifizierten Bereichs kann die Ausgangsspannung durch Einstellen des Widerstandsverhältnisses von R1 und R2 jedes Waferchips auf dem gesamten, in einem Herstellungsprozess gefertigten Wafer durch Lasertrimmen erzeugt werden.

Außerdem verfügen einige Linearregler über einen VFB-Pin, an den ein optimaler externer Rückkopplungswiderstand angeschlossen werden kann, wodurch der Benutzer die Ausgangsspannung flexibel einstellen kann.

3. Referenzspannungseinheit

Es gibt einige Methoden, eine Referenzspannungseinheit zu konstruieren, und die meisten von ihnen liefern einen Ausgangsspannungspegel von etwa 1 V.
Eine herkömmliche Methode, die für eine Referenzspannungseinheit verwendet wird, wird als Bandlückenreferenz (BGR) bezeichnet. Diese Methode hat zwar gute Eigenschaften, aber der Versorgungsstrom und die Schaltungsstruktur sind in der Regel größer, da sie die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter eines bipolaren Transistors nutzt. 1,25 V ist ein üblicher Ausgangsspannungspegel für eine BGR.

Anstelle von BGRs verwenden immer mehr elektronische Geräte eine CMOS-basierte Spannungsreferenzeinheit. Eine CMOS-basierte Referenzeinheit verwendet die Differenz zwischen der Schwellenspannung von zwei MOS-Transistoren als Referenzspannung. Sie zeichnet sich durch eine kleine Schaltungsgröße und einen extrem niedrigen Versorgungsstrom aus. Ihr Ausgangsspannungspegel liegt zwischen etwa 0,6 und 1,0 V. In Abbildung 3 ist sie mit einem Batteriesymbol dargestellt.

Referenzspannungsgeräte können trotz Schwankungen der Eingangsspannung oder Änderungen der Umgebungstemperatur ein bestimmtes Spannungsniveau aufrechterhalten. Dank der Referenzspannungseinheit, die ein bestimmtes Niveau einer Referenzspannung hält, können lineare Regler eine feste Spannung ausgeben.

4. Fehler-Verstärker

Ein Fehlerverstärker ist eine Art von Operationsverstärker, der die Spannungsdifferenz zwischen zwei Eingangsanschlüssen (positiv und negativ) verstärkt und die verstärkte Spannung ausgibt.

In einem Linearregler erhält der positive Anschluss die Rückkopplungsspannung und der negative Anschluss die Referenzspannung. Der Fehler zwischen den beiden Spannungen wird im Operationsverstärker verstärkt und die verstärkte Spannung wird an den variablen Widerstand ausgegeben. Aus diesem Grund wird das Bauteil auch als Fehlerverstärker bezeichnet.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Linearregler einen negativen Rückkopplungskreis enthalten, der aus den vier oben genannten Komponenten besteht und ihre Ausgangsspannung durch negative Rückkopplungssteuerung*2 konstant hält. Die Gegenkopplungssteuerung vergleicht die Rückkopplungsspannung mit der Referenzspannung und regelt den Widerstand des Ausgangstreibertransistors so, dass die Differenz Null wird.

Dementsprechend werden VREF und VFB im Normalzustand gleich gehalten.

Die Beziehung kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

VFB = VREF ... [1]
VFB = VOUT × R2 / (R1 + R2) ... [2]

Gleichung [1] wird für VFB in Gleichung [2] eingesetzt:

VREF = VOUT × R2 / (R1 + R2) ... [3]
∴ VOUT = VREF × (R1 + R2) / R2

Diese Gleichung berücksichtigt weder die Eingangsspannung noch den Laststrom (Lastwiderstand). Sie besagt, dass die Ausgangsspannung einfach durch die Referenzspannung und das Widerstandsverhältnis der Rückkopplungsspannung im Normalzustand bestimmt wird.

Auch nach dieser Gleichung kann man sagen, dass die Referenzspannung (VREF) die Schlüsselkomponente ist, die die Eigenschaften eines Linearreglers bestimmt.
Auch die Variabilität der Widerstandswerte spielt keine Rolle, da die Ausgangsspannung durch das Widerstandsverhältnis von R1 und R2 bestimmt wird. Da die Widerstände in einem Halbleiterchip auf sehr kleinem Raum gefertigt werden, ist das Widerstandsverhältnis sehr genau.

Wie steuern dann lineare Regler den Widerstand des Treibertransistors so, dass eine stabile Spannung ausgegeben wird, auch wenn der Laststrom (Lastwiderstand) oder die Eingangsspannung schwankt?
Der Mechanismus lässt sich anhand des On-Widerstands des Ausgangstreibers und des Ausgangslastwiderstandsverhältnisses erklären.

Nehmen wir das Beispiel eines Linearreglers mit folgenden Spezifikationen: Referenzspannung von 1V, gleicher Widerstand zwischen R1 und R2 und Ausgangsspannung von 2 V. Bei einem Eingang von 5V und einem Laststrom von 200 Ω steuert der Regler den Widerstand seines Ausgangstreibers auf 300 Ω. Mit anderen Worten: Der Regler steuert das Verhältnis zwischen dem On-Widerstand des Treibers und dem Lastwiderstand so, dass die Ausgangsspannung durch 3:2 geteilt wird.

  • Im Fall einer Laststromschwankung

    Wie verhält es sich mit dem Fall, dass sich der Lastwiderstand von 200 Ω auf 20 Ω ändert? Der Regler steuert seinen Ausgangstreiberwiderstand von 300 Ω auf 30 Ω, um das Widerstandsverhältnis bei 3:2 zu halten und eine voreingestellte Spannung von 2 V auszugeben.

  • Im Fall einer schwankenden Eingangsspannung

Wie sieht es dann mit dem Fall aus, dass sich die Eingangsspannung von 5 V auf 4 V ändert? Die Ausgangsspannung würde 1,6 V betragen, wenn das ursprüngliche Widerstandsverhältnis beibehalten würde. Um die 2 V stabil zu halten, steuert der Regler nicht nur den Ausgangstreiberwiderstand von 300 Ω auf 200 Ω, sondern auch das Widerstandsverhältnis von 3:2 auf 1:1.

Wie oben gezeigt, können Linearregler auch bei Schwankungen des Laststroms oder der Eingangsspannung eine stabile Ausgangsspannung liefern. Der Grad der Ausgangsstabilität wird als Netzregelung und Lastregelung definiert. Nachstehend finden Sie eine ausführliche Erläuterung.

Line Regulation (ΔVOUT/ΔVIN): Max. 0.2%/V (VSET + 0.5 V < VIN < 5 V)

Load Regulation (ΔVOUT/ΔIOUT): ±40 mV (1.5 V ≤ IOUT ≤ 100 mA)

 

Funktionsweise von Linearreglern

Prüfen wir gemäß Abbildung 4 den Ablauf des internen Betriebs eines Linearreglers, wenn sich sein Ausgangslastwiderstand ändert.

Abbildung 4. Betrieb des Linearreglers bei schwankendem Laststrom

Wenn der Lastwiderstand sinkt und der Laststrom steigt, sinken gleichzeitig die Ausgangsspannung und die Rückkopplungsspannung. Die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers sinkt ebenfalls, da die Rückkopplungsspannung niedriger als die Referenzspannung wird, wodurch sich der Treiber-On-Widerstand verringert. Die Verringerung des On-Widerstands des Ausgangstreibers entsprechend dem Anstieg des Laststroms führt dazu, dass die Ausgangsspannung wieder ihren Sollwert erreicht. Durch die Rückkehr der Ausgangsspannung zum Sollwert stimmt die Rückkopplungsspannung mit der Referenzspannung überein.

Umgekehrt erhöht die Verringerung des Laststroms die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers und den Treiber-On-Widerstand, da er die Ausgangs- und Rückkopplungsspannungen anhebt. Der Anstieg des Treiber-On-Widerstands in Übereinstimmung mit der Abnahme des Laststroms führt dazu, dass die Ausgangsspannung zu ihrem Sollwert zurückkehrt.
 

LDO-Regler

Übrigens werden einige der linearen Regler als LDO-Regler bezeichnet. LDO ist eine Abkürzung für Low DropOut. Was bedeutet 'Low Dropout'?
 

Abbildung 5. Was bedeutet "LDO"?

Ein Linearregler hat eine Spezifikation, die als Dropout-Spannung (VDIF) definiert ist. Die Dropout-Spannung bezieht sich auf die Mindestdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, die erforderlich ist, damit ein Linearregler eine bestimmte Ausgangsspannung innerhalb eines zulässigen Bereichs*3 erzeugen kann. Linearregler können die eingestellte Ausgangsspannung nicht aufrechterhalten und die Ausgangsspannung fällt ab, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung kleiner als die Dropout-Spannung wird.

Nehmen wir das Beispiel eines Linearreglers, der Strom von einer Batterie erhält. Wenn die Eingangsspannung eines Linearreglers die Summe aus der eingestellten Ausgangsspannung und der Dropout-Spannung übersteigt, kann der Regler eine stabile Ausgangsspannung liefern. Je niedriger die Dropout-Spannung des Linearreglers ist, desto länger ist die Betriebszeit der Batterie.

Wie wäre es dann mit einem Linearregler, dessen Quellspannung von einem DC/DC-Wandler geliefert wird? Der DC/DC-Wandler wird so eingestellt, dass er eine Spannung ausgibt, die etwas höher ist als die Summe aus Ausgangsspannung und Dropout-Spannung des Linearreglers. In diesem Fall kann ein Regler mit einer Dropout-Spannung von 0,2 V die Verlustleistung halbieren, während ein Linearregler mit einer Dropout-Spannung von 0,4 V verwendet wird. Kurzum, die Verwendung eines Reglers mit niedriger Dropout-Spannung kann die Verlustleistung verringern.

Denken Sie daran, dass der Austausch des Linearreglers gegen einen Regler mit einer Dropout-Spannung von 0,2 V die Verlustleistung nicht verringern kann, ohne die eingestellte Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers anzupassen.

Dieser Vorteil unterscheidet Linearregler von Reglern mit niedriger Dropout-Spannung, die auch als LDO-Regler bezeichnet werden. Allerdings gibt es keine Standarddefinition für LDOs, so dass sie sich von Unternehmen zu Unternehmen unterscheiden. Daher wird LDO in vielen Fällen als Kurzbezeichnung für jede Art von Linearreglern verwendet.

Dropout-Spannung und Ausgangsstrom

Abbildung 6. Bild der Dropout-Spannung und des Ausgangsstroms

Die Dropout-Spannung wird unter einer bestimmten Ausgangsbedingung ermittelt. Abbildung 6 zeigt zum Beispiel eine Dropout-Spannung bei einem Ausgangsstrom von 150 mA. Wie bereits erwähnt, ist ein Treibertransistor eine Art variabler Widerstand. Betrachten wir die Beziehung zwischen Dropout-Spannung und Ausgangsstrom nach dem Ohm'schen Gesetz, indem wir einen Treiber als Widerstand betrachten.

In diesem Beispiel beträgt der Mindestwert der Dropout-Spannung 0,23 V, und der Ausgangsstrom beträgt zu diesem Zeitpunkt 0,15 A. Nach dem ohmschen Gesetz wird der Treiberwiderstand wie folgt berechnet:

R = V/I = 0.23/0.15 = 1.53 Ω

Aus dieser Berechnung ergibt sich der minimale Treiberwiderstand des LDO-Reglers.

Auf der Grundlage dieses Widerstands berechnen wir nun den zulässigen Ausgangsstrom im Falle einer Eingangsspannungsdifferenz von 0,1 V.

I = V/R = 0.1/1.53 = 0.0652 A

Das Berechnungsergebnis legt nahe, dass der Ausgangsstrom dieses LDO-Reglers unter 65 mA liegen muss, um 3,0 V Ausgangsspannung bei 3,1 V Eingangsspannung zu erhalten. Das bedeutet auch, dass, wenn dieser LDO-Regler 150 mA bei 3,1 V Eingangsspannung ausgibt, die Ausgangsspannung 2,87 V beträgt. Dies führt dazu, dass die Ausgangsspannung um 0,23 V niedriger ist als die Eingangsspannung und die eingestellte Ausgangsspannung um 0,13 V.

Abbildung 7 veranschaulicht die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung anhand eines Diagramms.

Abbildung 7. Verhältnis zwischen Dropout-Spannung und Ausgangsstrom

Nach der obigen Berechnung kann dieser LDO-Regler durch Parallelschaltung eines Treibertransistors einen Ausgangsstrom von 150 mA bei 3,1 V liefern, da er den Einschaltwiderstand des Treibers halbieren und den Ausgangsstrom verdoppeln kann.

Wie Abbildung 8, ein Foto der Schaltung des LDO-Reglers, zeigt, wird jedoch der größte Teil der Chipfläche von einem Treiber belegt.
Um den Ausgangsstrom zu verdoppeln oder die Dropout-Spannung zu halbieren, muss der Widerstand reduziert werden. Dies kann erreicht werden, indem man auf diesem begrenzten Platz zwei Treiber-Transistoren parallel schaltet.

Die Parallelschaltung von zwei Treibern bedeutet eine Verdoppelung der Treiberfläche und der Chipfläche, was zu einem Preisanstieg führt. Es muss ein Gleichgewicht zwischen den Spezifikationen des Reglers und dem Preis gefunden werden.

Abbildung 8. Chipfoto des allgemeinen LDO-Reglers


Zusammenfassung

In dieser Ausgabe haben wir den Mechanismus erklärt, wie ein Linearregler eine stabile Ausgangsspannung unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung oder des Laststroms aufrechterhält.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Linearregler die Ausgangsspannung überwacht und die Ausgangsspannung mit Hilfe einer Gegenkopplungsschaltung, die den Einschaltwiderstand des internen Treibers anpasst, stabil hält. Dieser Mechanismus ermöglicht es einem Linearregler, eine stabile Spannung auszugeben, selbst wenn Schwankungen der Eingangsspannung oder des Laststroms eine Lücke zwischen der Ausgangsspannung und der eingestellten Spannung verursachen.

Außerdem sind wir auf einige Spezifikationen eingegangen, die sich  auf die Ausgangsstabilität eines Linearreglers auswirken, wie z. B. die Eingangsregelung, die Lastregelung und die Dropout-Spannung, die für eine stabile Ausgangsspannung erforderlich ist.

Diese Spezifikationen sind zeitunabhängig.

Als Nächstes werden wir die zeitabhängigen Spezifikationen, die Begrenzung der Verlustleistung für einen stabilen Betrieb von Linearreglern, die Rolle der Eingangs- und Ausgangskondensatoren usw. erläutern.


Anmerkung

*1 Ein Lastgerät ist ein Gerät, das mit einer stabilen Spannung betrieben wird, die von einem Leistungsmanagement-IC und einer Stromquelle geliefert wird. In diesem Fall werden ein oder mehrere Lastgeräte als ein gemeinsamer Widerstand betrachtet, und der Strom, der zur Last fließt, wird als Laststrom bezeichnet.

*2 Das Beispiel eines Autos, das mit einer Geschwindigkeit von 100 Kilometern pro Stunde eine Steigung hinauffährt, hilft, die negative Rückkopplung zu verstehen. Um diese Geschwindigkeit beizubehalten, tritt der Fahrer auf das Gaspedal, um die Motorleistung zu erhöhen, und beobachtet dabei den Tachometer. Wenn die Geschwindigkeit 100 km/h überschreitet, verringert der Fahrer sie, indem er das Gaspedal zurücknimmt und die Motorleistung reduziert. Ebenso erhöht der Fahrer die Geschwindigkeit, wenn sie unter 100 km/h sinkt. Dies ist ebenfalls eine Art negativer Rückkopplung, da der Fahrer die Motorleistung entsprechend der von ihm überwachten Geschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung steuert.

Kehren wir zum ursprünglichen Thema zurück. Wenn Sie die folgenden Wörter ersetzen, können Sie die negative Rückkopplung in einem linearen Regler nachvollziehen.

    Motorleistung = Einschaltwiderstand des Ausgangstreibers

    100 km/h = Referenzspannung

    Tachometer = Rückkopplungsspannung oder Ausgangsspannung

    Fahrer = Fehlerverstärker

    Steigung der ansteigenden Flanke = Höhe des Laststroms

Wenn die Steigung des Gefälles verdoppelt wird, muss der Fahrer die Motorleistung verdoppeln, um 100 km/h zu halten. Wenn die Steigung halbiert wird, kann der Fahrer die Geschwindigkeit von 100 km/h halten, indem er die Motorleistung halbiert. Dies ist die gleiche Regelung, die ein Linearregler vornimmt, um die Ausgangsspannung stabil zu halten: Wenn sich der Laststrom verdoppelt, halbiert ein Linearregler den Einschaltwiderstand des Ausgangstreibers und verdoppelt die Stromantriebskapazität; wenn sich der Laststrom halbiert, verdoppelt ein Linearregler den Einschaltwiderstand und halbiert die Stromantriebskapazität.

*3 Um die Dropout-Spannung als Spezifikation eines LDO-Reglers von der wörtlichen Bedeutung der Differenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung eines ICs zu unterscheiden, wird in der Beschreibung der Begriff "Dropout-Spannung" verwendet.
 

Autor ‚S‘ (Nisshinbo Micro Devices Inc.)
Seit seinem Eintritt in das Unternehmen war er lange Zeit an verschiedenen analogen und digitalen Designs beteiligt, z. B. an Gate-Arrays, Mikrocomputern, Speichern und Power-Management-ICs.

Danach beherrschte er auch die Prüftechnik für zusammengesetzte Stromversorgungs-ICs und wurde zu einem Spezialisten für Design, Prüfung und Ausbildung in seinem Fachgebiet.

Seine leicht verständlichen Erklärungen und seine höfliche Anleitung aus der Sicht des Zuhörers kommen bei den neuen Ingenieuren, die jedes Jahr in unser Unternehmen kommen, gut an. Seine Leistungen werden hoch gelobt, und jetzt arbeitet er als leitender Ingenieur in der Ausbildung jüngerer Generationen und als Berater für neue Technologien.


Text im Orginal