Guia de Seleção de Reguladores de Tensão Lineares

Guia de Seleção de Regulador de Tensão Linear

Um guia de seleção de regulador de tensão linear é a referência de decisão que engenheiros e compradores usam quando a placa precisa de um trilho de tensão limpo e simples, e a escolha fica entre as famílias de reguladores. Um regulador de tensão linear é um circuito integrado que produz uma tensão de saída fixa ou ajustável ao dissipar a diferença entre a entrada e a saída como calor, e sua simplicidade, baixo ruído e baixo custo o tornam o padrão para uma grande parcela dos trilhos de energia em cada placa. A decisão de seleção raramente é sobre o linear sozinho, porque o projetista também weighs the low-dropout regulator, o LDO, e o regulador chaveado, e a escolha entre os três é a primeira e mais consequente decisão do projeto do trilho. Este guia explica como os reguladores lineares funcionam, como eles se comparam aos LDOs e aos reguladores chaveados, como ler as especificações, a tensão, a corrente, a queda, a corrente de repouso e a térmica, como selecionar o encapsulamento e a família, e quando o regulador chaveado é a melhor resposta, para que um trilho de tensão seja escolhido com base em evidências e não em hábito.

A razão pela qual um guia de seleção importa é que a fraqueza do regulador linear, sua eficiência, também é a fonte de suas forças, e o projetista tem que combinar a troca com a aplicação. Um regulador linear converte o excesso de tensão de entrada para saída em calor, então a eficiência cai conforme a lacuna de queda cresce, e o projeto térmico se torna o limite da corrente que ele pode fornecer. Mas a mesma simplicidade entrega a saída mais limpa, o menor ruído, a resposta mais rápida e o menor custo, razão pela qual o regulador linear ainda domina os trilhos de baixa corrente e sensíveis a ruído. A seleção é um exercício de correspondência: a corrente e a queda decidem o calor, o calor decide o encapsulamento, e a aplicação decide se o calor é aceitável. Este guia percorre esse exercício de correspondência de ponta a ponta, para que o próximo trilho na placa seja escolhido pelos números, pela família, pelo encapsulamento e pelo orçamento térmico, e não pela peça que aconteceu estar na gaveta.

Como Funciona um Regulador de Tensão Linear

Um regulador de tensão linear produz uma tensão de saída estável ao passar a corrente de entrada através de um transistor de passagem e dissipar a diferença entre a entrada e a saída como calor, e entender esse fato explica cada troca de seleção neste guia. O regulador sensencia a saída, compara com uma referência interna e ajusta a condução do transistor de passagem para manter a saída na tensão definida, e a corrente que flui através do elemento de passagem é a mesma corrente que a carga drenha, então a potência dissipada

Reguladores Lineares vs LDO vs Chaveados

A seleção entre os reguladores linear, LDO e chaveado é a decisão central do trilho, e as três famílias mapeiam para as prioridades da aplicação. O regulador linear padrão vence em simplicidade, custo e ruído, e é a escolha para os trilhos de baixa corrente e os trilhos onde a queda de entrada para saída é pequena, porque o calor é gerenciável e o circuito é um componente e dois capacitores. O LDO vence na baixa queda de tensão e no baixo dropout, e é a escol

Especificações Principais na Seleção de um Regulador de Tensão Linear

A seleção do regulador linear lê um conjunto de especificações que cada uma decide uma parte do projeto, e conhecê-las evita as falhas que a tensão e a corrente nominais escondem. A tensão de saída é a primeira e a mais simples, fixa para as variantes 78xx e AMS1117 ou ajustável para o LM317 e os LDOs ajustáveis, e deve corresponder ao alvo do trilho dentro da tolerância que a carga permite. A corrente de saída é a próxima, e deve cobrir o pior caso da carga mais a margem para os transitórios e a carga do capacitor, pois um regulador operando no seu limite de corrente colapsa sob o surto. A tensão de dropout, lida como especificação, decide a entrada mínima e o calor, como a seção anterior descreveu. A corrente de repouso é a corrente que o regulador consome para operar a si mesmo, e importa para os trilhos de bateria onde cada microampère conta e para os trilhos sempre ativos. A regulação de linha e de carga declaram quão bem a saída se mantém contra as mudanças de entrada e carga, e o coeficiente de temperatura declara a deriva da saída através da faixa. As especificações são a resposta do datasheet aos requisitos do trilho, e a seleção lê cada uma contra o projeto.

A seleção também lê as características que decidem a sobrevivência do componente, e elas merecem atenção própria. A tensão de entrada máxima absoluta decide as condições de surto e reversa que o regulador deve sobreviver, e a entrada deve ser protegida com os capacitores e os diodos de proteção que o datasheet requer. A característica de temperatura de junção e a resistência térmica decidem o calor que o encapsulamento pode mover, e a temperatura de junção é igual à ambiente mais a potência dissipada vezes a resistência térmica, um número que deve permanecer abaixo da especificação. A proteção contra curto-circuito e térmica decidem o comportamento sob falha, o foldback e o desligamento que os reguladores clássicos fornecem, e o comportamento de limite de corrente que o projeto deve tolerar. A resistência térmica do encapsulamento, os valores de junção-ambiente e junção-cápsula, decide o dissipador de calor e o cobre da placa que o projeto precisa. As características são a camada da seleção que os números principais escondem, e o engenheiro que as lê seleciona o componente que sobrevive, não apenas o componente que regula.

Como ler a especificação térmica de um regulador de tensão linear

Ler a especificação térmica é o cálculo que decide se um regulador de tensão linear é viável na corrente que o projeto precisa. Calcule a potência dissipada, a diferença entrada-saída vezes a corrente de saída, e adicione a potência de repouso, e calcule a temperatura de junção, a temperatura ambiente mais a potência dissipada vezes a resistência térmica junção-ambiente. Compare a temperatura de junção com a especificação máxima de junção do componente, e quando exceder a especificação, as opções são a corrente menor, o encapsulamento maior, o dissipador de calor, o cobre da placa, o ambiente menor, ou o regulador chaveado. A resistência junção-ambiente é a capacidade do encapsulamento de dissipar calor para o ar parado, e a resistência junção-cápsula mais a resistência cápsula-dissipador modelam o caminho do dissipador para o TO-220 e os encapsulamentos de potência. O cálculo é o portão da seleção, e é a razão pela qual os trilhos de alta corrente e grande queda deixam a família linear para a família chaveada, pois nenhum encapsulamento consegue dissipar os watts. A leitura térmica é a disciplina que transforma uma seleção de regulador de uma escolha de tensão e corrente em um projeto térmico.

Selecionando por Tensão, Corrente e Queda de Tensão

A seleção por tensão, corrente e queda de tensão é o coração prático do método e segue uma ordem clara. Defina primeiro a tensão de saída, o valor fixo para as partes fixas ou a rede de resistores para as partes ajustáveis, e confirme a tolerância em relação à carga. Defina a corrente de saída em segundo lugar, a pior carga possível mais a margem, e confirme a classificação do componente e sua viabilidade térmica nessa corrente e na queda de entrada para saída. Defina a queda de tensão em terceiro lugar, a entrada mínima que o trilho deve suportar, a célula baixa da bateria, a queda do adaptador e a tolerância do trilho anterior, e escolha a família cuja queda se encaixe, o linear padrão para margem generosa e o LDO para margem apertada. As três configurações estreitam o campo para a família e a classificação, e as especificações restantes, o ruído, a corrente de repouso e a proteção, decidem o componente específico. A ordem de seleção é o esqueleto do método, e o restante das especificações se sustenta nele.

A seleção também considera os requisitos especiais da aplicação, porque a tensão e a corrente não capturam todos os trilhos. Um trilho para o frontend analógico considera o ruído e o PSRR, um trilho para o módulo wireless considera a ondulação e a resposta transitória, um trilho para a memória ou lógica considera a tolerância e o sequenciamento, e um trilho para a bateria considera a corrente de repouso e a queda na célula baixa. Os requisitos da aplicação são os desempates que selecionam entre os componentes que passam nos filtros de tensão e corrente, e são o motivo pelo qual dois projetos com o mesmo trilho de 3.3V podem legitimamente selecionar componentes diferentes. O método de seleção é, portanto, um funil, a tensão e a corrente e a queda estreitam o campo, e os requisitos especiais da aplicação escolhem o vencedor, e o funil é a disciplina que mantém a seleção fundamentada no projeto e não no hábito.

Como escolher um regulador linear fixo versus ajustável

A escolha entre fixo e ajustável é uma pequena decisão com uma regra clara. Escolha o regulador fixo quando o trilho é uma tensão padrão, como 5V, 3.3V, 2.5V e similares, e o projeto precisa do menor número de componentes e da partida mais apertada, porque o componente fixo é um único dispositivo e sua referência interna e divisor são ajustados na fábrica. Escolha o regulador ajustável, o LM317 e os LDOs ajustáveis, quando o trilho é uma tensão não padrão, quando o projeto precisa de um valor que o catálogo fixo não oferece, ou quando o mesmo componente deve atender vários trilhos na placa alterando um resistor, porque o componente ajustável transforma um dispositivo em uma família de saídas. O componente ajustável carrega o custo do divisor resistivo externo e sua tolerância, que adiciona à tolerância de saída, e carrega o risco de deriva do resistor e ruído de layout no pino de ajuste. A regra é preferir o componente fixo para trilhos padrão e o componente ajustável para trilhos não padrão e compartilhados, e a escolha é a letra miúda da seleção que o requisito de tensão decide.

Projeto Térmico e Seleção de Encapsulamento

A seleção do encapsulamento é o projeto térmico tornado físico, e é a metade da seleção da qual a maioria das falhas provém. A resistência térmica do encapsulamento, os valores junção-para-ambiente e junção-para-cápsula, decide quanta calor a peça pode dissipar, e a escolha do encapsulamento segue a potência dissipada: o pequeno SOT-23 e o SOT-89 para os trilhos de miliwatts, o SOT-223 e o SO-8 e o DPAK para a faixa de watts, e o TO-220 e os pacotes de potência maiores para os watts que precisam do dissipador de calor. A placa é o segundo dissipador de calor, e a área de cobre e as vias sob o pad térmico conduzem o calor para longe, então o layout do pad térmico é parte do projeto térmico. A temperatura ambiente e o invólucro completam o quadro, porque a temperatura de junção é a ambiente mais os watts vezes a resistência, e o invólucro que aprisiona o calor eleva a temperatura ambiente que a junção percebe. O encapsulamento e a placa e o invólucro são o sistema térmico, e a seleção dimensiona o sistema para a potência dissipada que o trilho exige.

O projeto térmico também analisa o ciclo de trabalho da carga e o pior caso, porque o calor segue a corrente e a corrente segue a aplicação. Um trilho que opera em corrente máxima continuamente precisa da análise térmica completa, e um trilho que opera em corrente máxima brevemente e fica ocioso é servido pela potência média e pela constante de tempo térmico da placa. O pior caso, a tensão de entrada máxima, a carga máxima e a temperatura ambiente máxima, é a condição que o projeto térmico deve sobreviver, e a seleção usa o pior caso ao invés do típico. O projeto térmico é o portão que a família linear respeita, e o trilho cujos watts excedem a capacidade do encapsulamento de dissipá-los é o trilho que pertence à família chaveada, qualquer que seja o ruído e a simplicidade sugeridos. A leitura térmica é o juiz honesto da seleção, e é a razão pela qual a comparação anterior do guia deixou os trilhos de alta potência para o regulador chaveado.

Como escolher um encapsulamento de regulador para a potência que o trilho precisa

Escolher o encapsulamento para a potência que o trilho precisa é um cálculo e um mapa. Calcule a potência dissipada no pior caso, e leia a resistência térmica do encapsulamento contra a temperatura ambiente para encontrar a temperatura de junção, então associe a potência à capacidade do encapsulamento de dissipá-la. Para os trilhos sub-watt, o SOT-23 e o SOT-89 dissipam os miliwatts com o cobre da placa. Para os trilhos de um a dois watts, o SOT-223 e o SO-8 e o DPAK carregam os watts com o cobre generoso da placa e as vias térmicas. Para os watts mais altos, o TO-220 e o DPAK com um dissipador de calor ou a grande área de cobre são a resposta, e a resistência do dissipador de calor caso-para-ambiente adiciona ao modelo. A regra é manter folga, porque a placa real, o invólucro e o fluxo de ar diferem dos números de ar livre do datasheet, e a peça que se encaixa no limite no datasheet superaquece no produto. A seleção de encapsulamento é a decisão física do projeto térmico, e o cálculo e a folga são o que mantêm a junção dentro de sua classificação ao longo da vida útil do produto.

Famílias de Reguladores Lineares: 78xx, LM317, LM1117 e Suas Substituições

As famílias de reguladores lineares são o vocabulário funcional da seleção, e conhecê-las torna a substituição e o sourcing da peça selecionada diretos. A família 78xx, o 7805, o 7812 e o restante, é o regulador positivo fixo clássico com um dropout generoso de 2 volts, uma variedade de encapsulamentos TO-220 e SO-8, e um pinout tão padronizado que a família é compatível por pino entre os fornecedores, o LM7805, o L7805, o KA7805, e o conjunto de peças domésticas que compartilham o layout de três pinos. O LM317 é o regulador ajustável clássico, sua saída definida por dois resistores, e também é padronizado entre os fornecedores com o mesmo pinout no TO-220 e no SO-8. O LM1117 e o AMS1117 são a família LDO, as peças de baixa queda de 3,3 e 5 volts que regulam a partir de algumas centenas de milivolts de margem, e compartilham um pinout que o mercado reproduz entre os fornecedores. As famílias são o catálogo de onde a seleção deriva, e a compatibilidade por pino entre os fornecedores é a razão pela qual uma peça selecionada também é uma peça substituível.

O ângulo da substituição merece ser explicitado, porque a seleção de um regulador linear também é a seleção de uma peça que será adquirida e eventualmente substituída. A compatibilidade por pino da família 78xx significa que uma placa projetada em torno de um LM7805 pode ser fornecida por um L7805, um KA7805, ou um 7805 doméstico, na mesma pegada e no mesmo teste, que é o exemplo clássico da substituição compatível por pino que o catálogo deste site negocia. O AMS1117 e o LM1117 compartilham o pinout LDO, e a família LM317 compartilha o pinout ajustável, então a seleção de cada família abre o mercado de substituição da família. O método de seleção do guia termina, portanto, onde começa o sourcing, a família selecionada, a compatibilidade por pino e as opções de substituição, e é a razão pela qual o regulador linear é uma das peças mais amigáveis do catálogo tanto para selecionar quanto para substituir. As famílias são o vocabulário, e a compatibilidade por pino é a gramática, e a seleção e a substituição falam a mesma língua.

Como substituir um regulador 78xx ou LDO com segurança

Substituir um regulador 78xx ou LDO com segurança é o método compatível por pino aplicado à família. Confirme o encapsulamento e o pinout primeiro, as variantes TO-220, SO-8 e SOT-223 são pegadas diferentes, e a atribuição dos pinos deve corresponder à placa. Confirme a tensão de saída e a corrente em segundo lugar, a substituição do 7805 deve ser uma peça de 5 volts classificada para a carga, e a substituição LDO deve corresponder à saída e ao dropout que o trilho precisa. Confirme o dropout e o térmico em terceiro lugar, porque uma substituição linear padrão para um trilho LDO não pode regular a partir da margem apertada do LDO, e uma peça com um pacote térmico pior superaquece na corrente que o trilho consome. Confirme a faixa de entrada e a proteção em quarto lugar, o máximo absoluto e a proteção reversa correspondendo às condições da placa. E teste a substituição na placa, a precisão da saída, o degrau de carga e o térmico em toda a temperatura, e registre a comparação. A substituição é o método de seleção executado na família, e a disciplina é o que mantém uma substituição compatível por pino tranquila, que é o padrão que o catálogo deste site aplica a cada peça que envia.

Ruído, PSRR e as Aplicações de Precisão

A principal vantagem do regulador linear sobre o regulador chaveado é o seu baixo ruído, e é nas aplicações analógicas e de precisão que essa vantagem determina a seleção. O ruído de saída de um regulador linear é especificado como a densidade espectral e o ruído integrado total, e isso é importante para os front-ends analógicos, os caminhos de áudio, os trilhos de sensores e os trilhos de referência, onde o ruído da fonte de alimentação é acoplado ao sinal. A taxa de rejeição de fonte de alimentação, o PSRR, indica quão bem o regulador atenua o ruído e a ondulação em sua entrada, e é importante para os trilhos derivados de uma fonte ruidosa, um trilho chaveado ou um adaptador de rede. As aplicações de precisão selecionam os componentes de baixo ruído e alto PSRR, e a seleção analisa as curvas de ruído e PSRR em relação aos requisitos do sinal, e não ao número único do datasheet. O ruído e o PSRR são as especificações que o título de tensão e corrente não capturam, e são o motivo pelo qual dois trilhos com a mesma saída selecionam componentes diferentes.

O ruído e o PSRR também conectam a seleção ao restante da placa, porque a limpeza do trilho é uma propriedade do sistema e não do componente. O capacitor de entrada e o capacitor de saída moldam o ruído e a estabilidade, o bypass da carga é importante, e o layout do terra acopla ou isola o ruído. A seleção, portanto, emparelha o componente de baixo ruído com o desacoplamento e o layout que a aplicação necessita, e a seção de aplicação do datasheet é o guia para os valores dos capacitores e o layout. O trilho de precisão é um sistema,

Exemplo Prático: Seleção de um Rail para uma Placa de Controle Industrial

A seleção de um rail para uma placa de controle industrial é o exemplo prático que demonstra toda a seleção em um projeto real, e uma placa que opera a partir de uma fonte industrial de 24 volts e precisa de um rail lógico de 5 volts e de um rail limpo de 3,3 volts para uma seção analógica é o caso. O primeiro rail, o lógico de 5 volts, vem do barramento de 24 volts através de um regulador chaveado, porque a queda de 19 volts na corrente lógica dissiparia watts que nenhum encapsulamento linear conseguiria dissipar, e o regulador chaveado reduz os 24 volts para um rail intermediário de 5 volts com eficiência da classe de 80 por cento. O segundo rail, o limpo de 3,3 volts, vem do intermediário de 5 volts através de um LDO, porque a queda de 1,7 volts na corrente analógica é uma pequena potência que o LDO dissipa, e o baixo dropout e o baixo ruído do LDO fornecem à seção analógica a alimentação limpa que o rail chaveado não consegue. A seleção lê a família por rail, o chaveado para a alta queda e o alto corrente e o LDO para a etapa limpa de baixa queda, e a cascata é a arquitetura que a seção chaveada descreveu. O exemplo prático mostra a seleção como uma decisão por rail, e é a decisão que o fluxo de trabalho formaliza.

O exemplo prático também lê as verificações que a placa industrial adiciona, porque o ambiente industrial muda os pesos da seleção. Os transitórios do barramento de 24 volts e as condições reversas leem a proteção de entrada, o capacitor de entrada e o TVS que o datasheet recomenda, e a faixa de temperatura, o ambiente industrial, lê o cálculo térmico no pior caso ao invés de na bancada. A precisão da seção analógica leem o ruído e o PSRR do LDO, e o rail da seção digital lê a tolerância e a carga. A placa industrial é o modelo dos pesos reais da seleção, e é o modelo que o fluxo de trabalho e o checklist da próxima seção transformam em um procedimento, que é a conclusão prática do guia de seleção de regulador de tensão linear.

Um Fluxo de Trabalho para Seleção de um Regulador de Tensão Linear

O método completo de seleção se encaixa em um fluxo de trabalho que um engenheiro executa na mesma ordem. Primeiro, defina os requisitos do rail, a tensão de saída, a corrente no pior caso, a faixa de entrada e sua queda, a tolerância, o ruído e o orçamento térmico. Segundo, escolha a família, o linear para a corrente pequena e o rail de baixa queda e sensível a ruído, o LDO para o rail com headroom apertado, e o chaveado para o rail de alta corrente e alta queda, e registre a escolha. Terceiro, leia as especificações, o dropout, a corrente de quiescência, a regulação, o ruído, o PSRR e a proteção, contra os requisitos do rail. Quarto, calcule o térmico, a potência dissipada no pior caso, a temperatura de junção e o encapsulamento que a dissipa, e escolha o encapsulamento e o dissipador. Quinto, selecione o componente da família, o fixo ou o ajustável, o encapsulamento e o fornecedor, e confirme a compatibilidade por pino e as opções de substituição para o sourcing. Sexto, verifique na placa, a precisão de saída, o degrau de carga, o transitório, o ruído e o térmico em toda a temperatura, e registre as medições. Essa sequência é o método de seleção de regulador de tensão linear, e é o mesmo método seja o rail um rail lógico de 3,3 volts ou um rail analógico de 5 volts.

O fluxo de trabalho é a razão pela qual um rail de tensão é escolhido com base em evidências ao invés de no hábito. Com os requisitos definidos, o rail é definido. Com a família escolhida, a troca é explícita. Com as especificações lidas, o componente se encaixa no projeto. E com o térmico calculado e o componente verificado, o rail sobrevive à vida útil do produto. Todo o valor do método é que o regulador linear, a peça de alimentação mais simples na placa, é selecionado com o mesmo cuidado que a mais complexa, porque o calor do componente simples e seu dropout e seu ruído carregam a confiabilidade do rail, e a disciplina da seleção é o que mantém a placa funcionando. Um engenheiro que executa este fluxo de trabalho seleciona um regulador de tensão linear com uma escolha de família, uma leitura de especificações e um cálculo térmico, que é o ponto inteiro de uma seleção de regulador de tensão linear bem feita.