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Linear Technology zeigt den Königsweg zurück zum LDO

Viel Strom aus wenig Spannung

14. März 2011, 14:30 Uhr | Willem Ongena

Typische Applikationsschaltung des LT3022 mit einstellbarem Ausgang.

Die derzeitige Generation von schnellen digitalen ICs erfordert neue Versorgungskonzepte: Die Versorgungsspannung soll gering sein, der Strom aber hoch. Linear Technology greift dabei zu optimierten Linearreglern, die den bisher favorisierten Schaltreglern in kaum etwas nachstehen.

FPGAs, CPUs und ASICs stellen hohe Anforderungen an die Stromversorgungen, die die Cores und I/O-Kanäle speisen. Diese digitalen ICs sind jedoch beim Einsatz von Schaltreglern in ihrer Stromversorgung problematisch. Schaltregler hat man wegen ihres hohen Wirkungsgrades bisher bevorzugt. Diese können aber potenzielle Probleme mit Interferenzen durch Rauschen, dem Einschwingverhalten und Layouteinschränkungen zur Folge haben. Zur Lösung dieses Dilemmas finden nun Linearregler (Low-Drop-out, LDO) als Alternative wieder ihren Weg in solche Applikationen. Das geht aber einher mit der Rückkehr der LDO-eigenen Einschränkungen. Dank jüngster Produktinnovationen und Funktionsverbesserungen in der LDO-Technik ist Linear Technology nun eine Trendumkehr gelungen: Die neuesten 1-A-LDOs haben kaum nennenswerte Leistungseinschränkungen.

Grundlegende Designherausforderungen

Viele lineare Industriestandardregler haben im Betrieb eine geringe Abfallspannung an nur einer Stromversorgung, können aber keine kleinen Spannungen wandeln; unterhalb einer Ausgangsspannung von 0,6 V ist keine gute Regelung mehr möglich. PMOS-LDOs erzielen den nötigen Spannungsabfall und arbeiten an einer Stromversorgung, sind jedoch wegen der Charakteristik der Gate-Source-Spannung des Durchlasstransistors bei kleinen Eingangsspannungen begrenzt. Bausteine auf NMOS-Basis bieten ein schnelleres Einschwingverhalten und größeren Ausgangsspannungsbereich, erfordern aber entweder zwei Stromversorgungspegel oder haben eine höhere Abfallspannung. Im Gegensatz dazu kann ein bipolarer PNP-Regler, mit einer sauberen Designarchitektur, eine geringe Abfallspannung und Wandlung geringer Spannungen aus einer einzigen Stromversorgung erzielen.

Weil die Strukturbreiten in der Halbleitertechnik immer weiter schrumpfen, ist der Betrieb der digitalen ICs und anderen Systemen mit geringen Spannungen nötig. Der Betrieb mit höheren Strömen bei kleineren Ausgangsspannungen führt aber bei vielen der bestehenden Eingangsspannungspegel zu einer gesteigerten Verlustleistung im Linearregler. Dieser erhöhte Leistungsbedarf wird in Wärme umgesetzt; weshalb modernste Gehäuse nötig sind, um den Temperaturanstieg im Regler zu minimieren und die thermischen Probleme in der Applikation einzuschränken. Ein Linearregler, der die Fähigkeit besitzt mit geringer Abfallspannung zu arbeiten (er minimiert den Unterschied zwischen der Ein- und Ausgangsspannung während der Regler den Ausgang regelt und stabil hält), reduziert die Verlustleitung und damit die thermischen Probleme.

Weitere Anforderungen sind ein möglichst geringer Betriebsspannungsdurchgriff (d.h. ine hohe power supply rejection ratio, PSRR) und ein geringes Rauschen der Ausgangsspannung. Ein Baustein mit hoher Störspannungsunterdrückung vereinfacht die Filterung und unterdrückt Rauschen auf der Primärversorgungsschiene, was in einem sauberen und stabilen Ausgang resultiert. Weiterhin ist ein Baustein mit einem geringen Rauschen der Ausgangsspannung vorteilhaft für die Versorgung rauschempfindlicher Schaltungen.