LDO-Regler mit NMOS-Treibertransistor Das bessere Stellglied

Low-Dropout-Regler kommen zum Einsatz, wenn die Versorgungsspannung sehr sauber sein muss, beispielsweise bei den Kernspannungen von Low-Voltage-Prozessoren in mobiler Elektronik. Doch gerade bei niedrigen Spannungen hat der klassische P-Kanal-MOSFET als Stellglied gewisse Nachteile.

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Das bessere Stellglied

LDO-Regler mit NMOS-Treibertransistor

Bei vielen tragbaren Geräten  ist ein Lithiumionen-Akku  mit einer Nennspannung von  3,6 V die Hauptenergiequelle. Die  entscheidende Herausforderung  für den Entwickler liegt in der Optimierung  des Wirkungsgrads und  des Stromverbrauchs in sämtlichen  Bereichen.  Traditionellerweise kommt im  Stromversorgungssystem ein DC/  DC-Wandler zum Einsatz. Zwar  kann diese Lösung einen äußerst  hohen Wirkungsgrad vorweisen,  ist aber mit dem Nachteil des Rauschens  verbunden.  Der Kompromiss zwischen Rauschen  und Wirkungsgrad mag kein  großes Problem sein, wenn der  DC/DC-Wandler beispielsweise die  I/O-Spannung des Hauptprozessors  bereitstellen muss. Aber für die  Kernspannung des Prozessors, die  oft unter 1,8 V liegt, ist Rauschen  auf der Versorgungsspannung unbedingt  zu vermeiden.

Für solche  Fälle eignet sich eine Kombination  aus DC/DC-Wandler als Vorregler  und einem LDO-Regler (Low Dropout,  Bild 1).  Meist verwenden die heutigen ultraschnellen  LDOs einen P-Kanal-  MOSFET (PMOS) als Längstransistor,  weil dieser interne Transistor über  den VIN-Pin getrieben werden kann.  Durch diese doppelte Verwendung  des VIN-Pins kann das Gehäuse sehr  klein ausfallen. Es ist jedoch nötig,  die minimale Eingangsspannung auf  einen Wert zu beschränken, der als  hinreichend sicher für den Betrieb  des ICs anzusehen ist. Oft ist dieser  Wert gerade nicht niedrig genug  für die heutigen Geräte mit niedriger  Versorgungsspannung. Ferner  gilt zu bedenken, dass der interne  PMOS von einer negativen Gate-  Source-Spannung VGS angesteuert  und mittels eines Low-Signals (0 V)  auf dem Gate-Pin eingeschaltet  wird.

Wenn der Spannungspegel am  VIN-Pin (der auch der Source-Pin für  den internen PMOS ist) zu gering  wird, dann ist die Spannungsdifferenz  zwischen Gate und Source nicht  mehr negativ genug, um den PMOS  aufzusteuern.  Durch den Einsatz eines NMOSTreibertransistors  im neuen LDO  »XC6601« von Torex ist ein Niederspannungsbetrieb  möglich, da  der VIN-Pin nur noch die Endstufe  bedient und der interne NMOS  von einem separaten VBIAS-Pin  angesteuert wird (Bild 2). Dies bedeutet,  dass durch Anlegen einer  Spannung von über 2,5 V an VBIAS  die Gate-Source-Spannung – unabhängig  von der Ausgangsspannung  – stets ausreichend ausgesteuert  ist, sodass der LDO mit niedrigem  ON-Widerstand arbeitet. Darüber  hinaus sinkt bei niedrigem VOUT der  ON-Widerstand, und da VGS nicht  von VIN abhängt, ist der Betrieb sogar  bei Eingangsspannungen von  nur 1,0 V möglich.

Spannung ab Werk  einstellbar

Bild 3 illustriert die Verlustspannung  oder Dropout-Spannung des  XC6601 und vergleicht sie mit der  des XC6210, einem PMOS-ULDOSpannungsregler  von Torex. Mit einer  Eingangsspannung von 1,8 V  und einer Ausgangsspannung von  1,5 V und unter sonst gleichen  Bedingungen ist der XC6601 um  rund 50% leistungsfähiger als der  XC6210 – und das über den gesamten  Laststrombereich hinweg.  Bei einem Laststrom von 200 mA  zum Beispiel liegt die Dropout-  Spannung des XC6601 bei etwa  75 mV gegenüber etwa 150 mV  beim XC6210. Außerdem reagiert  der XC6601 auf einen Lastsprung  ziemlich schnell. Selbst bei Lastsprüngen  von 1 mA auf 100 mA  bricht VOUT nur für eine sehr kurze Zeitspanne um 45 mV ein, ehe die Ausgangsspannung  auf stabile 1,5 V zurückfindet.  Beim neuen XC6601 kann die Ausgangsspannung  im Bereich zwischen 0,7 V und 1,8 V in  50-mV-Schritten nach Belieben ab Werk eingestellt  werden, und die Betriebsspannung liegt  im Bereich zwischen 1,0 V und 3,0 V.

Der LDO  verkraftet Ausgangsströme bis zu 400 mA und  kann mit Keramikkondensatoren mit kleinem  ESR arbeiten, die für zusätzliche Ausgangsstabilität  sorgen.  Der XC6601 besteht aus einer Spannungsreferenz,  einem Fehlerverstärker, einem Treibertransistor,  einem Strombegrenzer, einer Foldback-  Schaltung, einer thermischen Abschaltung,  einem UVLO (Under Voltage Lock-out) und  einer Phasenkompensationsschaltung. Der eingebaute  Überstromschutz und die thermische  Abschaltung reagieren, wenn der Ausgangsstrom  sein Limit erreicht beziehungsweise die  zulässige Sperrschichttemperatur überschritten  ist.

Die eingebaute UVLO-Funktion schaltet den  Ausgang ab, wenn VBIAS oder VIN unter den UVLOSpannungspegel  fällt.  Über die CE-Funktion (Chip Enable) kann der  Entwickler den Ausgang auf Standby schalten  und dadurch den Stromverbrauch erheblich senken.  Darüber hinaus wird während des Umschaltens  in den Standby-Modus die Ladung am Ausgangskondensator  über die interne Selbstentladungsschaltung  abgeleitet, was dafür sorgt, dass  VOUT sehr schnell auf Null absinkt. Der XC6601  ist in ultrakleinen USP-6C-, SOT-25- und SOT89-  5-Gehäusen erhältlich und eignet sich daher  besonders für tragbare Anwendungen.