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Leitfaden zu LDO-Reglern

Rauschen, Kompromisse, Anwendungen und Trends

26. September 2023, 9:30 Uhr | Zhihong Yu, Product Marketing Director, Analog Devices

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Die Rauschdichte ist ebenfalls ein wichtiger Parameter

Das nächste wichtige Diagramm zeigt den Verlauf der Rauschdichte über die Frequenz (Bild 4). Bei Kommunikationsanwendungen mit einer Regulierung des Frequenzspektrums ist das Rauschen zu kontrollieren, um die Zertifizierungsprüfung zu bestehen. Es gibt aber auch Sensoranwendungen, bei denen das Umgebungssignal mit einer bestimmten niedrigen Frequenz erfasst und verarbeitet wird. Entwickler sollten daher den Verlauf der spektralen Rauschdichte um die interessierende Frequenz herum überprüfen.

Der letzte wichtige Aspekt ist das gesamte (integrierte) Ausgangsrauschen, d. h. der Effektivwert der über einen endlichen Frequenzbereich integrierten spektralen Rauschdichte. Bei Analog/Digital- oder Digital/Analog-Wandlern wird das Gesamtrauschen des LDO-Reglers von DC bis zur Bandbreite des Systems integriert, was wiederum die Systemgenauigkeit beeinträchtigt. Für solche Anwendungen ist daher das Gesamtrauschen am Ausgang wichtig. Bild 5 zeigt das integrierte Rauschen des LT3045, das geringer ist als das einer Li-Ionen-Batterie.

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Kompromisse

Für fast alle Anwendungen, die mindestens einen Prozessor der neuesten Generation und andere Schaltkreise benötigen, ist eine komplizierte Stromversorgung mit mehreren Ausgangsspannungen erforderlich. Hier können Entwickler aus verschiedenen Optionen wählen und beispielsweise einen PMIC (Multioutput, Single-Chip), mehrere Regler mit nur einem Ausgang (Single Output) oder mehrere LDO-Regler einsetzen. Wenn auf manchen oder auf allen Ausgangsspannungen ein geringes Rauschen erforderlich ist, wird die Wahl zwischen den Optionen schnell schwierig.

In Fachbüchern steht, dass Schaltregler im Allgemeinen effizienter sind als LDO-Regler, und dass LDO-Reglerschaltungen einfacher zu entwickeln sind. In der Praxis ist das aber deutlich komplizierter. Als Beispiel soll der AD9162 von ADI dienen. Dieses IC ist in Telekommunikations- und Messsystemen weit verbreitet. Es sind insgesamt zehn Versorgungsspannungen erforderlich, die im Verhältnis 4:2:4 in Versorgungsspannungen für analoge, digitale SERDES-Schaltungen aufgeteilt sind. Einige dieser Versorgungsspannungen können zwar kombiniert werden, dennoch sind mindestens sechs Versorgungsspannungen erforderlich. Bemerkenswert ist, dass die Spannung von 1,2 V für analoge Schaltungsbereiche im System am rauschempfindlichsten ist, gefolgt von den Spannungen von 2,5 V und -1,2V für andere analoge Schaltungsteile.

Ein möglicher Ansatz wäre der Einsatz mehrerer Silent-Switcher-Regler, wie beispielsweise des kürzlich vorgestellten LT8622S mit 18V/2A oder des LTC3307B mit 5V/3A. Mit beiden Bauteilen lässt sich die Anforderung eines geringen Rauschens am ehesten und ohne externe Filter erfüllen.

Allerdings sind die Systembaugröße sowie die Kosten etwas höher, wenn alle Versorgungsspannungen von Silent-Switcher-Reglern geliefert werden. Ein alternativer Ansatz, der alle Vorteile wie hohe Effizienz, geringe Kosten, kleine Abmessungen und niedriges Rauschen vereint, ist der Einsatz eines PMICs und eines invertierenden Reglers als erste Stufe. Ein Beispiel ist ein PMIC mit vier Ausgängen wie beispielsweise die Bauteile LTM4644, LTC3370, ADP5054 (für einen 12-V-Bus) und LT8330/ADP5073 für den invertierenden Regler. Dann folgen auf jede Ausgangsspannung rauscharme LDO-Regler für alle empfindlichen Spannungen mit Ausnahme der 1,2V VD (Bild 6).

ADI bietet auch Silent-Switcher-PMICs mit vier Ausgängen wie die Bauteile LT8692S, LT8686S, LT8685S und LT7200S an, wenn die Anwendung eine höhere Spannung oder einen höheren Strom verlangt.

Entwickler können auch erwägen, die rauscharmen LDO-Regler auf 3,3VI/O und -1,2VA zu belassen und das PMIC sowie die folgenden LDO-Regler durch vier einkanalige Silent-Switcher-Regler zu ersetzen.

Die Auswahlkriterien für rauscharme Lösungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Im Allgemeinen empfiehlt ADI den Einsatz von ultrarauscharmen LDO-Reglern, wenn die Eingangsquelle ein sehr hohes Rauschen aufweisen kann, der Laststrom gering ist, die geringste Ausgangswelligkeit erwünscht ist oder das geringstmögliche Rauschen angestrebt wird.

Bei einem Laststrom von 5 A und mehr bevorzugen Entwickler fast ausschließlich ein rauscharmes PMIC oder einen Schaltregler (obwohl LDO-Regler parallel geschaltet werden können, um auch hohe Ströme zu liefern).

Für Lastströme von 2 bis 5 A können sich Entwickler beispielsweise für die LDO-Regler ADP7158/ADP7159, LT3073 und MAX38907 oder eine Reihe von Silent-Switcher-Reglern entscheiden.


	PMIC	Schaltregler	LDO
Geringes Rauschen	Silent Switcher 2	Silent Switcher 1/2/3	Ultralow Noise
Volt/Ampere	bis zu 42 V, 5 A	Bis zu 65 V, 30 A	–20 bis +20 V, bis zu 5 A
Dynamikverhalten	Schnell	Schnell	Langsam
Effizienz	Hoch	Hoch	Niedrig
Baugröße	Klein	Mittel	Klein
Topologe	Buck	Buck, Boost, Buck/Boost	LDO-Regler
Spannungswelligkeit (Ripple)	Mittel	Mittel	Gering
Rauschverhalten	Gering	Geringer	Am geringsten
Kosten	Mittel	Mittel	Niedrig

Anwendungen

ADI ist ein Marktführer, wenn es um rauscharme LDO-Regler geht. Das Portfolio des Unternehmens wurde durch die Übernahme von Linear Technologies und Maxim Integrated weiter gestärkt. ADI verfügt mittlerweile über ein breites Portfolio an LDO-Reglern mit -20 bis +20 V und 100 mA bis 5 A und ultrageringem Rauschen.

Hunderte von Kunden haben typische Anwendungen wie die Folgenden entwickelt:

Ein bekannter Hersteller von DSLR-Kameras hat sich für rauscharme LDO-Regler zur Versorgung seiner Bildsensoren entschieden, da für die Verarbeitung der Sensorsignale nur ein ultrageringes Rauschen tolerierbar ist
Ein Hersteller, der bei einem großen Online-Anbieter die am meisten verkaufte Wärmebildkamera produziert, hat sich für rauscharme LDO-Regler zur Versorgung seiner Infrarotsensoren entschieden, da diese die rauschärmste Lösung auf dem Markt sind
Ein Tier-1-Kunde aus der Automobilbranche, der ein Fahrerassistenzsystem (ADAS) herstellt, hat sich für rauscharme LDO-Regler entschieden, um seine Radar- und HF-Schaltungen zu versorgen (ADI beliefert diesen Kunden auch mit kompletten AEC-qualifizierten Stromversorgungslösungen)
Ein Hersteller von Endoskopen hat einen rauscharmen LDO-Regler deshalb gewählt, weil dieser Systeme mit geringem Rauschen und kleinen Abmessungen ermöglicht
Ein Hersteller von automatischen Testgeräten (ATE) hat sich für Leistungsmodule und LDO-Regler von ADI entschied und versorgt damit seine ASICs
Ein Hersteller von Gaming-Kopfhörern hat rauscharme LDO-Regler für die Versorgung seines Audio-DAC gewählt
Ein Druckerhersteller hat sich für rauscharme LDO-Regler entschieden, weil er ein System mit geringer Restwelligkeit benötigte
Ein Hersteller von Durchflussmessern hat sich für rauscharme LDO-Regler aufgrund des hohen PSRR-Wertes und der geringen Restwelligkeit entschieden
Ein Hersteller von Massive-MIMO-Systemen hat sich für rauscharme LDO-Regler entschieden und versorgt damit seine GaN-Leistungsverstärker.

Im Allgemeinen sind rauscharme Stromversorgungen für die meisten empfindlichen Anwendungen von entscheidender Bedeutung. Von Entwicklern war zu erfahren, dass sie standardmäßig rauscharme Stromversorgungs-ICs bevorzugen, um zusätzliche Reserven in ihren Designs zu erhalten. Bei Interferenzproblemen sollten Entwickler also zuerst die Stromversorgung analysieren.

Die Zukunft von LDO-Reglern

ADI bietet eine breite Palette von LDO-Reglern mit ultrageringem Rauschen und hohen PSRR-Werten an. ADI entwickelt und vertreibt darüber hinaus auch Hunderte anderer LDO-Regler mit verschiedenen Leistungsmerkmalen wie hohe Durchbruchspannung, niedrigem Ruhestrom und adaptivem Pin, der es vorgeschalteten DC/DC-Wandlern ermöglicht, die Last des LDO-Reglers zu verfolgen. Dennoch verlangt der Markt regelmäßig bessere LDO-Regler mit noch mehr Funktionen. Kunden von ADI wünschen sich LDO-Regler mit noch geringerem Rauschen, mehreren Kanälen, digitaler Konfigurierbarkeit, schnellerem Einschwingverhalten und vielen anderen Leistungsmerkmalen. Und obwohl LDO-Regler immer noch wie einfache Bauteile wirken, sie werden nie verschwinden und sich wie alle anderen Halbleiter weiterentwickeln. Bei Fragen oder Entwicklungsunterstützung helfen ADI-Verkaufsbüros vor Ort. Zu beachten sind die Webseite zur parametrischen Suche von LDO-Linearreglern und das Produktportfolio LDO Plus mit LDO-Reglern mit zusätzlichen Funktionen.

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