Niedriger IQ kein Problem Ruhestrom von Linearreglern minimieren

Eine der wichtigsten Herausforderungen, mit denen Entwickler derzeit konfrontiert sind, ist die Minimierung des Stromverbrauchs in den Systemen, die sie gerade entwickeln. Verschiedene Stromsparmodi können zum Beispiel dazu beitragen, die Stromaufnahme zu verringern. Dabei gelten Linearregler als Stromverschwender, allerdings sind sie in einigen Anwendungen unumgänglich. Ist es möglich, ihren Ruhestrom IQ zu minimieren, ohne gleichzeitig deren dynamische Leistungsfähigkeit über Gebühr einzuschränken?

Auch wenn Low-Dropout-Linearregler (LDOs) gleiche oder sehr ähnliche Werte für den Ruhestrom IQ haben, kann sich deren dynamische Leistungsfähigkeit erheblich unterscheiden. Zwei wesentliche Faktoren bestimmen die dynamische Leistungsfähigkeit dieser Bausteine. Erstens, der verwendete Halbleiterfertigungsprozess. Die meisten modernen LDOs werden in fortschrittlichen CMOS- oder BiCMOS-Technologien gefertigt. Zweitens, die technische Implementierung des LDOs in das Design.

So gibt es verschiedene Arten von LDOs mit ultraniedrigem IQ. Sie basieren auf verschiedenen Techniken und weisen unterschiedliche dynamische Leistungscharakteristika auf: LDOs mit konstantem Arbeitspunkt (Bias), mit proportionalem Arbeitspunkt sowie mit adaptivem Arbeitspunkt. Traditionell verwenden CMOS-Linearregler wie der »MC78LC« von ON Semiconductor einen konstanten Arbeitspunkt, wobei der Strom über die Masse (GND) über dem Ausgangsstrombereich relativ konstant bleibt. Solche Bausteine eignen sich für batteriebetriebene Anwendungen mit weniger hohen Leistungsanforderungen. Ihr Hauptnachteil ist die relativ schlechte dynamische Leistungsfähigkeit in Bezug auf Last- und Netztransienten, die Störspannungsunterdrückung (PSRR, Power Supply Rejection Ratio), Ausgangsrauschen etc. lesen.

Meist lässt sich die dynamische Leistungsfähigkeit durch größere Ausgangskondensatoren erhöhen.

Bild 1 beschreibt, wie sich Über- und Unterschwingen solcher Regler bei Lasttransienten eingrenzen lassen: Der Ausgangskondensator COUT wird von 1 µF auf 100 µF erhöht. Dabei verringert sich zwar die Amplitude des Transienten, die Einschwingdauer verlängert sich jedoch. Bei einem großen Ausgangskondensator kommt noch hinzu, dass eine externe Verpolschutzdiode im System erforderlich ist, um den Regler vor übermäßigem Rückstrom zu schützen.

Um das relativ schlechte Dynamikverhalten von LDOs mit konstantem Arbeitspunkt zu verbessern, ändert sich bei LDOs mit proportionalem Arbeitspunkt der Massestrom proportional zum Ausgangsstrom. Dies gewährleistet, dass der Stromverbrauch des Bausteins bei geringer Last praktisch konstant ist und sehr gut den IQ-Spezifikationen des Produktdatenblatts entspricht.

Obwohl der proportionale Arbeitspunkt bessere dynamische Parameter bietet als LDOs mit konstantem Arbeitspunkt, ist er in anspruchsvollen Präzisionsanwendungen, die sehr genaue Ausgangsspannung und einen extrem niedrigen Ruhestrom erfordern, immer noch nicht ausreichend. Ein Beispiel für einen solchen Baustein ist der »NCP4681«.

Datenblatt ist trügerisch

Um die dynamischen Parameter zu verbessern und weiterhin einen extrem niedrigen IQ zu garantieren, steht nun eine neue Art von LDOs zur Verfügung, die eine Technik mit »adaptivem Massestrom« beziehungsweise adaptivem Arbeitspunkt bieten. Diese Bausteine verstärken den Massestrom auf ein bestimmtes Niveau des Ausgangsstroms, ohne dabei den Wirkungsgrad bei geringer Last zu beeinträchtigen. Dabei profitiert die Endanwendung durch ein gutes Regelverhalten bei Änderungen von Eingangsspannung und Last, PSRR sowie Ausgangsrauschen.

Solche Bausteine wie der »NCP4587« eignen sich besonders zur Versorgung empfindlicher Analog-/HF-Schaltungen in Anwendungen, die eine lange Batterielebensdauer bei geringem Platzbedarf erfordern.

Bild 2 zeigt den Massestrom im Vergleich zum Ausgangsstrom für diese drei Arten von LDOs mit ultraniedrigem Ruhestrom. Jeder der Bausteine hat eine ähnliche IQ-Spezifikation (1 µA bis 1,5 µA). So wie sich deren Massestrom-Abhängigkeit über dem Ausgangsstrom stark unterscheidet, variiert auch deren dynamische Leistungsfähigkeit.

In einigen Fällen kann der auf dem Datenblatt angegebene Ruhestrom erheblich vom tatsächlich gemessenen Wert abweichen. Für diesen Unterschied gibt es mehrere Gründe: Erstens vernachlässigt der angegebene IQ-Wert in manchen Fällen den über den Enable-Anschluss (EN) fließenden Eingangsstrom durch den internen Pull-down-Widerstand gegen Masse.

Messungen zeigen, dass dieser innere Widerstand meist in der Größenordnung von 1 MΩ liegt. Ist der EN-Anschluss mit dem UIN-Anschluss verbunden, wird der Massestrom durch die Eingangsspannung stark beeinflusst, was zu einem zusätzlichen Stromverbrauch aufgrund des Pull-down-Widerstands führt. Im Gegensatz dazu bieten andere Bausteine am Markt einen EN-Strom, der unabhängig von der Eingangsspannung ist. Zweitens wird der adaptive Massestrom in einigen LDOs so eingestellt, dass IGND bei sehr niedrigen Ausgangsströmen zunimmt.

Ein weiterer wichtiger, oft übersehener Parameter des LDOs ist der Massestromverbrauch, wenn ein Dropout-Zustand eintritt. In Produkten, die mit Li-Ionen- oder Li-Polymer-Akkus betrieben werden, ist es üblich, die Stromversorgung äußerst effizient zu regeln. Dabei kommen LDOs zum Einsatz, die eine Ausgangsspannung von 3,3 V oder 3,1 V bereitstellen.

Entlädt sich jedoch der Akku und die Spannung fällt ab, kann die Eingangsspannung des LDOs UIN sich dem UOUT-Wert bis zu dem Punkt nähern, an dem der Regler seinen Dropout-Zustand erreicht. Dabei beginnen die meisten derzeit am Markt erhältlichen LDOs mit ultraniedrigem IQ einen wesentlich höheren Massestrom zu ziehen, als dies über den Datenblattwert zu erwarten wäre.

Bild 3 verdeutlicht dies. Im Dropout-Bereich beginnt der LDO bis zu 100 µA Strom zu ziehen.

Um dieses Problem zu lösen, ist es in stromsparenden Anwendungen ratsam, ein Low-Power-Supervisor-IC mit einstellbarer Hysterese hinzuzufügen, um dafür zu sorgen, dass sich nach dem Entfernen der Last die Akkuspannung erholen kann. Ist die Hysterese nicht ausreichend, sind andere Spannungsdetektoren mit einem einrastenden Ausgang (latched) besser geeignet. Dabei muss jedoch der Latch durch einen Taster oder über eine Information seitens des Akkuladecontrollers wieder zurückgesetzt werden.

Oft wird die IQ-Spezifikation im LDO-Datenblatt für eine ideale Leerlaufbedingung angegeben und nicht für die eher realistische Ausgangslast von 10 µA bis 100 µA. Manchmal kann es auch von Interesse sein, das Massestromverhalten in Bezug auf die Eingangsspannung und Temperatur zu kennen. Der Massestrom einiger Bausteine nimmt erheblich zu, sobald die Eingangsspannung abnimmt und der LDO sich dem Dropout-Bereich nähert.

Eine zusätzliche unerwartete Stromaufnahme kann sich negativ auf das Design auswirken, da sich die Batterielebensdauer verkürzt. Dies trifft vor allem dann zu, wenn sich Designs oft im Idle- oder Sleep-Modus befinden und minimaler Strom verbraucht wird. Entwickler sollten dann die Datenblattangaben über die IQ-Spezifikation sowie die dazugehörigen IQ-zu-ILOAD-Diagramme des entsprechenden LDOs genau lesen.

Über den Autor:

Pawel Holeksa ist Applications Engineer für Power-Management-ICs bei ON Semiconductor.