¿Es hora de cambiar finalmente ese LDO por un regulador de conmutación pequeño?

Debo confesar que, a pesar de toda la atención prestada a los reguladores de conmutación, todavía tengo un “punto débil” en mi corazón (y quizás también en mi cabeza) para los reguladores de caída baja (LDO). Una de mis razones para esto es que los LDO hacen una cosa, la hacen bien, la hacen fácilmente y no dan dolores de cabeza ni sorpresas. Además, los primeros dispositivos de regulación de alimentación que utilicé fueron los LDO y fueron buenos para mí cuando intenté construir circuitos reales. Incluso hoy, cuando necesito un riel a unos pocos voltios y alrededor de un amperio de corriente, lo primero que pasa por mi mente es el LDO básico de tres terminales, en lugar de un regulador de conmutación (también conocido como conmutador).

No es una noticia que los LDO generalmente tienen una eficiencia menor que los conmutadores, pero a niveles de corriente más bajos, aproximadamente un amperio, la diferencia es pequeña y puede que no sea crítica en el diseño específico. Por encima de varios amperios, esa diferencia suele ser lo suficientemente grande como para que el LDO no sea una buena opción, a menos que necesite un riel superbajo en ruido. Pero incluso hay algunos conmutadores que son en realidad bastante buenos y hacen muy poco ruido. Además, si bien es posible conectar en paralelo algunos tipos de LDO con resistencias de “sangrado” de ohmios bajos entre ellos para igualar el consumo de corriente, esto puede complicarse en términos de diseño, espacio, lista de materiales (BOM) y cuantificación del rendimiento.

Aún así, los LDO son componentes fundamentales en la bolsa de la BOM del ingeniero. Son tan fáciles de usar que muchos diseñadores los “rocían” como palomitas de maíz alrededor de su placa de circuito impreso dondequiera que necesiten una buena regulación cerca del circuito integrado o subcircuito. Al hacerlo, se minimiza la caída de IR del riel de alimentación y la captación de ruido, junto con otros problemas que aparecen cuando una fuente de alimentación se encuentra más alejada de su carga.

Pero los tiempos están cambiando.

No obstante, estoy empezando a preguntarme si incluso esas oportunidades básicas de diseño para los LDO podrían estar llegando a su fin. Los reguladores de conmutación de corriente inferior encapsulados ahora tienen atributos que son comparables con aquellos de los LDO en cuanto a la simplicidad, el tamaño, los elementos pasivos externos necesarios (o no) y la facilidad general del diseño. Si toma una vista de “caja negra” de estos conmutadores encapsulados en contraposición a los LDO en un circuito, no sería fácil distinguir la diferencia entre un LDO de 1 amperio y un conmutador encapsulado de múltiples puntas.

Además, aunque un LDO solo puede regular hacia abajo (reducir), hay conmutadores de reducción, de elevación e incluso de reducción/elevación con una transición perfecta entre los dos modos. Esa es una capacidad importante, ya que muchos circuitos operan desde una sola celda de ion de litio y necesitan el modo de reducción/elevación para regular la batería de completamente cargada a algo descargada.

Muéstreme los ejemplos (dedinero)

Considere el LTM8074 (LTM8074EY#PBF), un regulador de µ módulo de conmutador silencioso de Analog Devices (Figura 1). Tiene un amplio rango de voltaje de entrada (de 3.2 a 40 voltios), amplio rango de voltaje de salida (de 0.8 a 12 voltios), ofrece 1.2 amperios continuos (a 24 voltios de entrada y 5 voltios de salida) y alcanza una corriente de salida máxima de 1.75 amperios a 3.3 voltios de salida. Sin embargo, lo que realmente me llamó la atención es su pequeño tamaño. Como dispositivo BGA, mide solo 4 milímetros (mm) × 4 mm × 1.82 mm de altura.

Figura 1: El LTM8074 es un regulador de conmutación fácil de usar con un espacio pequeño tanto para el módulo como para su circuito general. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Todo lo que necesita para funcionar son dos capacitores (1 microfaradio (µF) y 10 µF) y dos resistencias, lo que hace que sea fácil de colocar y usar como un LDO comparable, pero con más potencia en un espacio más pequeño. El inductor, que normalmente asociamos con un conmutador, está integrado dentro del paquete, por lo que, desde la perspectiva del diseñador, no forma parte de la lista de materiales (BOM) y no ocupa espacio adicional. Además, sus emisiones de EMI son bastante bajas, por lo que compiten con las del LDO (Figura 2).

Figura 2: Emisiones CISPR22 clase B para el LTM8074 en su placa de demostración DC2753A, con VOUT = 3.3 voltios, carga de 1.2 amperios y sin filtro EMI. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Otra fuente de estos pequeños módulos de conmutación tipo LDO es Texas Instruments con su LMZ10501 (LMZ10501SILR), un nanomódulo de 1 amperio con un rango de voltaje de entrada de 2.7 a 5.5 voltios y un rango de voltaje de salida de 0.6 a 3.6 voltios (Figura 3).

Figura 3: El LMZ10501 de Texas Instruments está alojado en un paquete de 3.00 mm x 2.60 mm, incluido su inductor. Externamente, solo necesita tres capacitores de cerámica y dos resistencias para funcionar. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El LMZ20501 necesita solo tres capacitores de cerámica y dos resistencias, y también integra el inductor en su paquete microSiP 8-pin, que es de solo 3.00 mm x 2.60 mm (Figura 4). Una cosa es segura: no parece un IC estándar.

Figura 4: El inductor LMZ10501 de Texas Instruments es una parte integral del diseño físico del nanomódulo, lo que ahorra espacio y BOM. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Estos pequeños conmutadores son incluso muy competitivos con los LDO en los rangos de corriente más bajos, donde estos últimos han tenido la ventaja del tamaño y de la facilidad de uso. Por ejemplo, el MAXM15462 de Maxim Integrated es un módulo CC a CC reductor, síncrono y de alta eficiencia con controlador integrado, MOSFET, componentes de compensación e inductor que opera en un amplio rango de voltaje de entrada (Figura 5). Acepta una entrada de 4.5 a 42 voltios y suministra hasta 300 miliamperios (mA) de corriente de salida a través de un voltaje de salida programable de 0.9 a 5 voltios. Necesita tres capacitores (dos a 1 µF y uno a 10 µF) y dos resistencias junto con su paquete diminuto uSLIC™ de 2.6 mm × 3 mm × 1.5 mm.

Figura 5: El regulador de conmutación de salida MAXM15462 de 300 mA de Maxim Integrated es competitivo en tamaño, incluso con LDO de baja corriente. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

Las ventajas de estos pequeños interruptores van más allá de tener un tamaño más pequeño y una mayor eficiencia que los LDO comparables. Dependiendo del dispositivo elegido, incluyen características agradables (y a veces necesarias) como un arranque suave para reducir la corriente de irrupción de entrada, un pin de salida de “alimentación correcta” y un umbral de bloqueo de voltaje mínimo (UVLO) programable.

Finalmente, ¿es posible que esté avanzando?

A veces tiene que dejar de lado sus preferencias pasadas para beneficiarse de los avances técnicos. He visto a ingenieros especificar amplificadores operacionales de veinte años en diseños de nuevos productos principalmente porque están familiarizados y cómodos con su idiosincrasia. Si bien de alguna manera esa es una táctica sensata, puede privar al diseño final de la capacidad de hacer más, hacerlo más barato o hacerlo más pequeño.

Con respecto a los reguladores de potencia, como los LDO, estos todavía pueden ser utilizados por millones y miles de millones anualmente para nuevos diseños. Sin embargo, los reguladores de conmutación de menor potencia ofrecen mucho más en términos de rendimiento mejorado, buen comportamiento, facilidad de uso y eficiencia, y lo hacen en un paquete pequeño. Casi sería una negligencia profesional no considerarlos, al menos, a pesar de un primer impulso, para poner ese LDO familiar en la lista de materiales (BOM).

Entonces, mientras usted hace eso, voy a revisar el carburador en mi auto. Creo que la válvula de aguja necesita limpieza y el flotador está desajustado.