Autor: Zhihong Yu, Product Marketing Director

Abstract

Este artículo introduce una serie de parámetros que no son obvios a la hora de seleccionar reguladores LDO. Se realiza una comparación de los reguladores lineales LDO frente a los reguladores conmutados en cuanto a requisitos de bajo ruido y además, se comentan las tendencias de la industria. Finalmente, y como conclusión, se introducen aplicaciones que requieren de reguladores lineales LDO de alto rendimiento.

Introducción

La mayoría de los sistemas electrónicos tienen una fuente de alimentación de mayor tensión que la realmente necesaria por la electrónica. Por ejemplo, un adaptador de ordenador se enchufa a 110 V_AC/220 V_AC y drena menos de 1A de corriente. Tras varios procesos de reducción de tensión, el procesador trabaja a una tensión menor de 1 V_DC pero consume varios amperios en su pico. Además, hay varias tensiones intermedias en el rango sub-1V a 12V.

Los reguladores de baja caída o lineales, más conocidos como reguladores LDO, se utilizan ampliamente en un gran abanico de aplicaciones electrónicas para regular o convertir a una tensión menor desde una fuente de alimentación de mayor tensión.

El regulador LDO se introduce al inicio de cualquier libro de texto sobre electrónica de gestión de potencia y en general, es considerado un dispositivo muy simple. Sin embargo, un diseñador de circuitos puede no entender ciertos parámetros técnicos que son críticos a la hora de seleccionar un regulador, aparte de sus características de tensión y corriente. Este artículo se centra en los requisitos de bajo ruido de los reguladores LDO, explicando otras soluciones de bajo ruido e introduciendo las aplicaciones críticas que requieren bajo ruido en la alimentación.

Ruido—Su origen y cómo lidiar con él

Un LDO no suele utilizarse directamente desde la fuente de origen ya que, en la mayoría de los casos, las pérdidas son demasiado altas.

Generalmente, el diseñador utiliza un regulador conmutado, ya sea AC/DC o DC/DC. La fuente de alimentación para este regulador conmutado genera su propio ruido y además, recoge ruidos externos que son generados por radiación y otros efectos tanto en los cables como en las PCBs. Por si fuera poco, no existe un conmutador ideal para los reguladores conmutados, y todos los eventos de conmutación crean tanto picos como oscilaciones indeseadas que se convierten en ruido interno. Por esta razón, se recomienda colocar los reguladores conmutados lejos de la carga ya que pueden captar ruido a lo largo de su recorrido.

Los reguladores LDO se añaden habitualmente para reducir la tensión de salida del regulador y alimentar la carga, pues el LDO ofrece una mejor regulación y elimina el rizado en la salida, o porque puede haber múltiples cargas que necesiten diferentes tensiones de salida. El regulador LDO recibe todo el ruido en su entrada y, junto con el ruido que puede generar internamente, podría llegar a pasar a la carga si se deja sin tratar o filtrar (Figura 1). Este ruido podría interferir en circuitos sensibles – es muy difícil de simular y predecir tanto el espectro como la amplitud del ruido. Los amantes del audio suelen encontrar diferencias en la calidad del sonido en función de la fuente de alimentación que utilicen para los equipos. Otros tipos de circuitos sensibles podrían ser amplificadores de radiofrecuencia, integrados de reloj y control de tiempo, serializadores (SERDES), sensores de precisión analógicos y de imagen y toda aquella electrónica que se encuentre en equipos médicos, de test o telecomunicaciones así como en automoción y centros de datos.

Figura 1. El ruido en las fuentes de alimentación

Los diseñadores utilizan diferentes enfoques a la hora de reducir el ruido en las fuentes de alimentación. Es muy útil añadir ferritas o filtros paso-bajo antes y después de los reguladores para filtrar el ruido de alta frecuencia; sin embargo, pueden ser aparatosas y caras. Cuando un diseñador descubre que es necesario utilizar un filtro de este tipo, una vez el prototipo ya está diseñado, es una faena y doloroso.

Un enfoque extraordinario para reducir el bajo ruido es utilizar los reguladores conmutados de Analog Devices con tecnología Silent Switcher^®. Esta familia de productos, incorporan una tecnología de cancelación de ruido sin comprometer el tamaño o la eficiencia y sin añadir componentes excesivos. ADI está ya por la tercera generación de estos reguladores. La primera generación, Silent Switcher 1, usa un par de bucles en polaridad opuesta para cancelar los campos magnéticos que se producen. La segunda generación, incluye condensadores de precisión y elimina la sensibilidad del ruteado de la PCB. Y la tercera generación, incluye las características de la primera generación, ofreciendo ultra bajo ruido a bajas frecuencias y una respuesta transitoria muy rápida. Los reguladores Silent Switcher pueden soportar entradas de hasta 65V y corrientes de salida hasta 30A, y se ofrecen en topologías buck, boost y buck-boost. Encontrará más información en la página de Silent Switcher.

El otro enfoque popular es utilizar reguladores LDO de bajo ruido. Un diagrama de bloques típico se muestra en la Figura 2. El regulador LDO de bajo ruido se diseña como una fuente de corriente de precisión seguido de un buffer de tensión de alto rendimiento. Y están caracterizados por tres parámetros clave: PSRR, o el factor de rechazo a la fuente de alimentación; el ruido integral de salida; y la densidad espectral del ruido.

Figura 2. Diagrama de bloques típico de un regulador LDO de bajo ruido.

El PSRR representa las fluctuaciones que se producen en la tensión de salida causadas por la tensión de entrada (Figura 3). Se expresa siempre en forma logarítmica y está indicada para una frecuencia determinada. Varía además con la corriente de carga y las tensiones de entrada y salida. En aplicaciones que necesitan bajo ruido es crítico utilizar reguladores LDO de alto PSRR, ya que no interesa que el ruido de entrada se refleje en la salida. El ruido y PSRR de alta frecuencia es fácilmente mejorable añadiendo filtros externos sencillos de tipo paso-bajo. Por ello, es mucho más importante el rechazo a baja frecuencia cuando seleccionamos un regulador LDO concreto. Recuerda que, en la selección del dispositivo, una variación de 20dB significa 100 veces mejor o peor en el rechazo del rizado.

Figura 3. Gráfica ejemplo del PSRR de un LDO de bajo ruido.

La siguiente figura importante es la gráfica de densidad de ruido frente a la frecuencia, como la de la Figura 4. Hay aplicaciones de comunicaciones que tienen un uso regulado del espectro, por lo que el ruido debe controlarse para no superar los límites y pasar el test de certificación. Existen también aplicaciones de sensores que miden y procesan la señal ambiente a bajas frecuencias. Es realmente importante que los diseñadores revisen la densidad espectral a la frecuencia de interés para no tener sorpresas a la hora de pasar la certificación.

Y el último factor es el ruido integral de salida, que es el valor RMS de la densidad espectral de ruido en un determinado rango de frecuencias. Para convertidores analógico-digital o digital-analógicos, todo el ruido de los LDOs a lo largo del espectro completo del ancho de banda del sistema puede afectar a la precisión del sistema. Este factor es muy importante para este tipo de aplicaciones. Se muestra como un ejemplo la Figura 5 donde se indica el ruido del LT3045, más silencioso que una batería de Li-Ion.

Figura 4. Densidad de ruido frente a la frecuencia.

Figura 5. Ruido de salida (10 Hz to 100 kHz); el regulador de bajo ruido LT3045 es más silencioso que una batería de Li-Ion.

Compromisos

En la mayoría de las aplicaciones que requieren al menos un procesador avanzado y otra electrónica, es necesario crear un sistema de alimentación complejo con varios niveles de tensión. Entre todas las opciones, los diseñadores deben elegir entre utilizar un PMIC (único chip y multisalida), varios reguladores con salidas individuales, o múltiples LDOs. Si se necesita bajo ruido en alguna o todas las salidas, no es sencillo llegar a un compromiso entre la complejidad, la eficiencia y el ruido.

En cualquier libro podemos leer que los reguladores conmutados son, en general, más eficientes que los LDOs, y éstos últimos son más fáciles de diseñar e integrar. En el mundo real, es un poco más complicado que eso. Tomemos como ejemplo el AD9162. Es un integrado muy utilizado en sistemas de telecomunicaciones e instrumentación y requiere de 10 carriles de tensión diferentes, divididos en 4/2/4 como alimentaciones analógicas/digitales/SERDES. Aunque varias alimentaciones podrían combinarse, se necesitan al menos 6 diferentes. Y de ellas, la más sensible al ruido es la analógica de 1.2V, seguida de la analógica de 2.5V.

Una de las posibilidades es utilizar varios reguladores de tipo Silent Switcher, como los recientemente lanzados – el LT8622S de 18V/2A o el LTC3307B de 5V/3A. Son los que mejor cumplirían los requisitos de bajo ruido sin la necesidad de añadir filtros externos.

Sin embargo, el coste y tamaño del sistema puede verse afectado al alza con el uso de estos reguladores. Una alternativa podría ser utilizar un PMIC ya que combina todos los beneficios: alta eficiencia, bajo ruido y coste, y tamaño contenido. Algunos ejemplos pueden ser los PMIC de 4 salidas: LTM4644, LTC3370, ADP5054 (para un bus de 12V) y los LT8330 y ADP5073 para reguladores inversores. Cada salida se acompaña de un LDO de bajo ruido en todas las alimentaciones salvo la digital de 1.2V (Figura 6).

Figura 6. Solución de bajo ruido para alimentar un sistema DAC sensible al ruido.

Si se necesitan mayores capacidades de tensión o corriente, ADI también ofrece PMICs de 4 salidas con tecnología Silent Switcher como LT8692S, LT8686S, LT8685S, y LT7200S.

Otra alternativa combinada, podría ser mantener reguladores LDO de bajo ruido en las alimentaciones V_I/O de 3.3V y V_A de 1.2V – y reemplazar el PMIC y los consiguientes LDOs, por cuatro reguladores individuales de tipo Silent Switcher.

El diseñador puede apoyarse en la Tabla 1 para encontrar la solución óptima para su sistema. En general, ADI recomienda utilizar reguladores LDO de muy bajo ruido cuando la entrada puede ser muy ruidosa, cuando la corriente demandada por la carga es baja, o cuando se necesita el menor ruido o rizado de salida.

Para una corriente de carga mayor de 5A, la selección preferida de los diseñadores es utilizar un regulador conmutado o PMIC de bajo ruido (aunque los LDOs también pueden utilizarse en paralelo para soportar corrientes altas). Para corrientes entre 2A y 5A, los diseñadores suelen decantarse por reguladores LDO como ADP7158/ADP7159, LT3073, MAX38907, o una variedad de reguladores de tipo Silent Switcher.

Tabla 1. Tabla referencia para selección de alimentación de bajo ruido

Aplicaciones

Analog Devices es líder de mercado en reguladores LDO de bajo ruido. El portfolio ha sido reforzado tras las adquisiciones de Linear Technology y Maxim Integrated. ADI tiene un gran portfolio de reguladores LDO que van desde los -20V hasta los 20V y desde 100mA hasta 5A.

Extraídas de cientos de clientes, se indican algunas aplicaciones típicas:

• Un reconocido fabricante de cámaras DSLR, eligió los reguladores LDO de bajo ruido para alimentar sus sensores de imagen debido a los estrictos requisitos de bajo ruido para procesar las señales del sensor.
• Un fabricante de cámaras térmicas, con las mejores ventas en Amazon, seleccionó también reguladores de bajo ruido de ADI para sus sensores de infrarrojos, ya que eran la solución de menor ruido del mercado.
• Un cliente Tier1 de automoción, eligió reguladores LDO de bajo ruido para su sistema de asistencia a la conducción (ADAS) tanto para alimentar el radar como la electrónica de RF – ADI proporciona también soluciones AEC.
• Un cliente de endoscopios seleccionó los LDO de bajo ruido de ADI debido a su reducido tamaño.
• Se han utilizado módulos de alimentación y reguladores LDO para alimentar un ASIC en un cliente de equipamiento de test automático (ATE) de semiconductores.
• Otras aplicaciones, como impresoras o mediores de flujo, también son idóneas debido al alto rechazo PSRR y al bajo rizado.
• Un cliente de auriculares también ha seleccionado LDOs para alimentar el DAC.
• E incluso un cliente de MIMO ha seleccionado reguladores LDO de bajo ruido de ADI para su amplificador de tipo GaN.

En general, el ruido de la alimentación es crítico en aplicaciones sensibles al ruido, por lo que los diseñadores suelen seleccionar este tipo de reguladores para tener un margen extra en sus diseños. Si te encuentras con algún problema de interferencias o ruido, quizás debas revisar primero la alimentación.

El Futuro de los Reguladores LDO avanzados

Como ya hemos comentado, Analog Devices tiene un gran rango de reguladores LDO de ultrabajo ruido y PSRR muy alto. ADI también diseña y comercializa reguladores LDO con otras características como bajo consumo (quiescent), tensiones altas o por ejemplo, con un pin para que el DC/DC anterior pueda conocer la demanda de corriente del LDO. Aun así, el mercado suele requerir nuevas características en los reguladores LDO continuamente. Hay clientes que demandan incluso menor ruido, múltiples canales, con configuración digital, respuesta a transitorios más rápido y todo tipo de ideas. Aunque a simple vista parece un dispositivo sencillo, nunca dejarán de existir y avanzarán y evolucionarán al igual que el resto de los semiconductores. Para más información, puedes revisar el portfolio de LDOs avanzados en www.analog.com/en/product-category/ldo-plus.html o realizar una búsqueda paramétrica en www.analog.com/en/product-category/ldo-linear-regulators.html

Acerca del autor

Zhihong Yu es actualmente el director de marketing de productor en Analog Devices. Tienes más de 16 años de experiencia profesional en la industria del semiconductor en cuanto a gestión de potencia y electrónica de potencia. Ha liderado la definición y desarrollo de unos 40 circuitos integrados. Antes de Analog Devices, trabajó en Renesas Electronics, Monolithic Power Systems e Infineon Technologies en diferentes posiciones de ingeniería y negocio.