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.
Das bessere Stellglied
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.
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