Come aumentare la durata delle batterie con i regolatori LDO

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email

In un sistema alimentato a batterie, i sistemi di alimentazione sono forse gli elementi più critici. I progressi compiuti nella progettazione di regolatori di tensione ha fatto sì che prodotti elettronici portatili come cellulari, laptop e PDA siano divenuti il segmento a più elevato tasso di crescita del mercato dell’elettronica. Un sistema di alimentazione per apparati portatile deve soddisfare tre requisiti: economicità, efficienza (che influenza direttamente la durata della batteria) e ridotte dimensioni. Sebbene oggigiorno nei prodotti portatili siano ampiamente utilizzati i regolatori di tipo switch mode, la necessità di coniugare basso costo, lunga durata delle batterie e dimensioni ridotte, unitamente ai recenti progressi in termini di tensione di funzionamento, tensione di dropout, rumore hanno riacceso l’interesse nei confronti dei regolatori lineari.

LDO in tecnologia CMOS

I sistemi alimentati a batteria richiedono regolatori di tensione lineari con le seguenti proprietà: bassa tensione di dropout, ridotta corrente di riposo, basso rumore, dimensioni contenute ed elevato PSSR. I tradizionali LDO (Fig. 1) utilizzano un transistor di controllo PNP dove tutta la corrente di base fluisce dal pin di massa e torna all’ingresso di tensione negativa. La quantità di corrente di base richiesta per pilotare il transistor PNP è pari alla corrente del carico divisa per il guadagno di corrente del transistore, ovvero IB = IL/b. Il valore di b, specialmente con basse correnti di carico, può diminuire sensibilmente: di conseguenza la potenza (PBASE) dissipata è “indesiderata” in parecchie applicazioni. Inoltre la tensione di saturazione pone un limite inferiore alla minima tensione di dropout ai capi del transistor PNP. La tecnologia CMOS permette di eliminare tali svantaggi: nella figura 2 viene riportato lo schema a blocchi del regolatore a basso dropout LP3987 di National Semiconductor, un componente in grado di erogare al carico fino a 150 mA di corrente con una tensione di uscita fissa a 2,85 V. Il funzionamento del circuito è basato sull’invio in retroazione di un segnale di errore amplificato impiegati per controllare il flusso di corrente d’uscita del transistor PMOS che pilota il carico. L’uso di un transistor PMOS, a causa del fatto che la corrente di pilotaggio del gate è assai ridotta, contribuisce a ridurre la dissipazione di potenza nell’LDO. Un ulteriore vantaggio è la possibilità di impostare la tensione di dropout a valori molto bassi semplicemente regolando la resistenza ON del PMOS, in base all’equazione DVOUT= IoRDON. Dal punto di vista teorico questo risultato può essere raggiunto aumentando o diminuendo l’area del die assegnata al transistor, ma in pratica esiste un limite al valore minimo della tensione di dropout. Infatti esiste una relazione tra tensione di dropout, dissipazione di potenza e risposta dinamica. Ad esempio per realizzare un LDO con tensione di dropout molto bassa, il transistor deve avere maggiori dimensioni e ciò implica l’impiego di un circuito di pilotaggio più grande, fonte di maggiore dissipazione. Per LP3987 il valore tipico di tensione di dropout è di 60 mV. La differenza di tensione tra ingresso e uscita e la corrente di riposo sono fattori importanti ai fini dell’efficienza:

Per ottenere elevate efficiente, è necessario minimizzare la corrente di riposo e la tensione di dropout. Se si osserva la curva di scarica di una batteria a ioni di litio (Fig. 3), si vede che l’efficienza è molto bassa quando la batteria è completamente carica e cresce al diminuire della tensione di batteria. La massima efficienza si ha quando la tensione di batteria raggiunge il valore:
Dove VOUT è la tensione di uscita dell’LDO. La durata della batteria è dunque direttamente proporzionale alla minima tensione di dropout. La velocità con la quale la tensione della batteria raggiunge il minimo è determinata dalla quantità di corrente assorbita dal regolatore.
Un parametro importante per valutare questo aspetto è il rendimento di corrente:

Il rendimento di corrente determina la misura della diminuzione della durata della batteria: se la corrente di carico è di molto superiore a quella di riposo, la durata del funzionamento è determinata in larga misura dalla corrente di carico. Per contro la corrente di riposo riveste un ruolo importante in condizioni di bassa corrente di carico. In parecchie applicazioni portatili l’elevata corrente di carico è una condizione temporanea, per cui il rendimento di corrente diventa un parametro chiave nella progettazione di sistemi di alimentazione a batteria.

• 
• Tweet
• Pin It
• Condividi per email