Designleitfaden für CMOS-LDO-Regler: Kombination von 1,0 µA Ruhestrom mit schnellem Einschwingverhalten und Rückstromschutz

Auswählen eines CMOS-LDO-Regler Für batteriebetriebene drahtlose Sensoren, tragbare medizinische Instrumente und intelligente Versorgungszähler müssen zwei historisch gegensätzliche elektrische Kennzahlen in Einklang gebracht werden: extrem niedriger Ruhestrom (IQ) im Standby-Modus und schnelles Einschwingverhalten bei Hochstrom-Funkübertragungsstößen. In Internet-of-Things-Knoten (Internet of Things, IoT), die über 99 % ihrer Betriebsdauer im Tiefschlaf verbringen, beeinträchtigt jedes Mikroampere kontinuierlichen LDO-Erdstroms direkt die mehrjährige Batterielaufzeit.

Um diesen Kompromiss zu beseitigen, ETEK Mikroelektronik entwickelte die ET63AXX-Serie, ein 300-mA-CMOS-LDO-Regler mit extrem niedrigem Ruhestrom, dynamischer Ruhestromregelung, integriertem Rückstromschutz und 70-dB-Stromversorgungsunterdrückungsverhältnis (PSRR).

In diesem Artikel erfahren Sie:

• Was ein CMOS-LDO-Regler ist und warum zyklische drahtlose Lasten herkömmliche Designs in Frage stellen
• Wie der ET63AXX einen Ruhestrom von 1,0 µA erreicht, ohne Einbußen bei der Lastübergangsgeschwindigkeit
• Wie der integrierte 20-mV-Rückstromschutz externe Sperrdioden überflüssig macht
• Thermische Grenzwerte des Gehäuses und Regeln für das PCB-Layout für einen stabilen Betrieb von 1 µF-Keramikkondensatoren

Was ist ein CMOS-LDO-Regler?

Ein CMOS-Low-Dropout-Linearregler (LDO) verwendet einen spannungsgesteuerten PMOS-Durchgangstransistor und einen CMOS-Fehlerverstärker, um eine saubere, geregelte DC-Ausgangsspannung von einer etwas höheren Eingangsversorgung zu liefern. Im Gegensatz zu herkömmlichen bipolaren Reglern, deren Basisantriebsstrom mit dem Laststrom ansteigt, hält ein CMOS-LDO-Regler den Erdstrom im Mikroampere-Bereich über Standby-Zustände hinweg aufrecht und arbeitet gleichzeitig mit einer sehr kleinen Spannungsdifferenz (Abfallspannung) zwischen Eingang und Ausgang.

Drei Herausforderungen bei der Low-Power-IoT-Spannungsregulierung

1. Der Kompromiss zwischen Ruhestrom und transienter Reaktion

Einem 1-µA-LDO mit fester Vorspannung steht nur sehr begrenzter Strom zum Laden und Entladen der Gate-Kapazität seines internen PMOS-Pass-FET zur Verfügung. Wenn ein Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee oder Sub-GHz-Transceiver aufwacht und einen schnellen Stromschritt von Mikroampere auf Hunderte von Milliampere zieht, ermöglicht ein langsamer Regelkreis, dass VOUT unter den MCU-Brownout-Schwellenwert absinkt, bevor der Pass-FET vollständig öffnen kann.

2. Umgekehrte Body-Diode-Leitung

Standard-PMOS-Pass-Transistoren enthalten eine intrinsische parasitäre Body-Diode, die von VOUT nach VIN ausgerichtet ist. Wenn die Eingangsversorgung zusammenbricht, unterbrochen wird oder unter die an den Ausgangskondensatoren oder einer Backup-Zelle gehaltene Spannung fällt, fließt der Strom vom Ausgang zum Eingang zurück, wodurch Backup-Energie verbraucht und möglicherweise der Regler beschädigt wird.

3. Welligkeit nach dem DC/DC-Schaltvorgang

Wenn ein LDO als Nachregler nach einem Abwärts- oder Tief-Aufwärts-Wandler zur Versorgung von HF-Synthesizern oder analogen Präzisionssensoren verwendet wird, ermöglicht eine schlechte Stromversorgungsunterdrückung, dass Schaltrauschen direkt in die empfindliche Last eingekoppelt wird.

Wie der CMOS-LDO-Regler ET63AXX diese Probleme löst

Der ET63AXX wird auf Basis eines fortschrittlichen CMOS-Prozesses hergestellt und arbeitet über einen Eingangsspannungsbereich von 1,7 V bis 5,5 V, Lieferung bis zu 300mA Kontinuierlicher Ausgangsstrom über acht feste Ausgangsspannungsoptionen: 1,2 V, 1,5 V, 1,6 V, 1,8 V, 2,5 V, 2,8 V, 3,0 V und 3,3 V mit ±1,5 % Ausgangsspannungsgenauigkeit (IOUT = 1 mA, TA = 25°C).

Dynamische Ruhestromanpassung für drahtlose Laststufen

Anstatt sich auf einen statischen internen Ruhestrom zu verlassen, verfügt der ET63AXX über einen dynamische Ruhestromschaltung. Unter Leerlauf- oder Mikroampere-Ruhebedingungen verbraucht der Regler einen typischen Ruhestrom (IQ_ON) von nur 1,0 µA (maximal 1,5 µA bei TA = 25 °C) und fällt auf 0,01 µA typisch (maximal 0,1 µA), wenn über den EN-Pin deaktiviert.

Wenn der Laststrom schnell ansteigt – beispielsweise während der Paketübertragung in drahtlosen Kommunikationsmodulen – erhöht die dynamische Vorspannungsschaltung vorübergehend die interne Schleifenbandbreite und die Gate-Treiberfähigkeit. Dadurch wird eine strenge Lastregelung gewährleistet (10 mV typisch / 30 mV maximal für 1 mA ≤ IOUT ≤ 300 mA) und minimiert vorübergehende Über- und Unterschwingungen, ohne die Lebensdauer der Standby-Batterie zu beeinträchtigen.

Echter Rückstromschutz (VOUT − VIN > 20 mV)

Um externe Schottky-Sperrdioden und deren Vorwärtsspannungsabfall zu eliminieren, ist im ET63AXX ein aktiver integriert Rückstromschutz Komparator, der die Differenzspannung zwischen den OUT- und IN-Pins überwacht.

Immer wenn VOUT VIN um mehr als überschreitet 20 mV (typisch), schaltet der Schutzblock sowohl das Gate als auch die Substratmasse des internen PFET-Durchlassbauelements auf VOUT und schaltet den Durchlasstransistor vollständig aus. Wie in der bestätigt ET63AXX DatenblattSelbst unter einer strengen Sperrvorspannungsbedingung, bei der VIN = 1,7 V und VOUT = 5,5 V, ist der Rückwärtsleckstrom (IRCB) auf gerade begrenzt 0,4 µA (typisch). Dadurch eignet sich der ET63AXX gut für OR-ing-Topologien mit zwei Versorgungen, USB-plus-Batterieschienen und durch Superkondensatoren unterstützte Messschaltungen.

Niedrige Dropout-Spannung und Eingangsfolgeverhalten

Die niedrige Dropout-Spannung (VDROP) erweitert die nutzbare Batteriekapazität, indem sie es dem Regler ermöglicht, die Regelung aufrechtzuerhalten, wenn die Zellenspannung gegen Ende der Entladung abfällt. Vollständig 300mA Belastung (TA = 25°C) erreicht der ET63AXX:

• VOUT = 3,3 V: 210 mV (typisch) / 400 mV (maximal)
• VOUT = 1,8 V: 410 mV (typisch) / 600 mV (maximal)

Wenn die Eingangsspannung unter den regulierten Nennausgangspegel fällt, bleibt der ET63AXX betriebsstabil und sein Ausgang folgt reibungslos der Eingangsspannung abzüglich des Widerstandsabfalls des vollständig erweiterten PMOS-Kanals.

70 dB PSRR, aktive Ausgangsentladung und vollständiger Schutz

Trotz seines Ruhestrombudgets von 1,0 µA erreicht der ET63AXX eine Stromversorgungsunterdrückungsrate von 70 dB (typisch) bei 1 kHz (VIN = 2,8 V, VOUT = 1,8 V, COUT = 4,7 µF, IOUT = 20 mA) und eine integrierte Ausgangsrauschspannung (eN) von 120 µVRMS (typisch) über die Bandbreite von 10 Hz bis 100 kHz. Die Linienregulierung wird eingehalten 0,04 %/V (typisch) (maximal 0,2 %/V).

Wenn der EN-Pin (Varianten ET63AXXYB und ET63AXX) unter den logisch niedrigen Schwellenwert (VENL ≤ 0,4 V) gezogen wird, wird ein interner N-Kanal-Entladeschalter mit einem typischen Widerstand (RLOW) von 110 Ω verbindet OUT mit GND und entlädt die Restspannung auf der Ausgangsschiene schnell. Eingebauter Schutz beinhaltet 550 mA (typisch) aktuelle grenze, 100 mA (typisch) Foldback-Kurzschlussstrom, 150°C thermische Abschaltung (mit 25°C Hysterese) und ±2000 V HBM / ±1500 V CDM ESD-Schutz über -40°C bis +85°C.

ET63AXX-Schlüsselspezifikationen

Paketoptionen und thermischer Widerstand

Um sowohl Ultraminiatur-Wearables als auch Standard-Industrie-PCBs unterzubringen, ist die ET63AXX-Serie wird in drei bleifreien, halogenfreien und RoHS-konformen Gehäusen angeboten (XX bezeichnet den festen Ausgangsspannungscode, z. B. 12 = 1,2 V, 18 = 1,8 V, 33 = 3,3 V):

Tipps zur Kondensatorauswahl und zum PCB-Layout

Der ET63AXX ist intern kompensiert, um bei kompakter Bauweise über den gesamten Lastbereich stabil zu bleiben 1 µF keramische Eingangs- und Ausgangskondensatoren (CIN = 1 µF, COUT = 1 µF):

• Konto für MLCC DC-Bias-Derating: Wählen X5R oder X7R dielektrische Kondensatoren anstelle von Y5V- oder Z5U-Typen, so dass die effektive Kapazität dazwischen bleibt 0,47 µF und 4,7 µF mit einem äquivalenten Serienwiderstand (ESR) dazwischen 5 mΩ und 100 mΩ über extreme Spannungen und Temperaturen hinweg.
• Minimieren Sie die Schleifeninduktivität an IN und OUT: Platzieren Sie CIN und COUT auf derselben PCB-Ebene wie der ET63AXX und leiten Sie sie über kurze, breite Leiterbahnen direkt zu den IN-, OUT- und GND-Pins.
• Erden Sie das freiliegende Wärmeleitpad (DFN4): Beim 1 mm × 1 mm großen ET63AXXYB löten Sie das freiliegende mittlere Pad mithilfe von thermischen Durchkontaktierungen direkt an die Grundplatte der Leiterplatte, um den Nennwärmewiderstand von 250 °C/W zu erreichen.
• Fahren Sie den EN-Pin explizit: Der EN-Pin hat einen logisch hohen Schwellenwert von VENH ≥ 0,9 V (kompatibel mit 1,2 V und 1,8 V GPIOs) und einem logisch niedrigen Schwellenwert von VENL ≤ 0,4 V. Verbinden Sie EN direkt mit IN, wenn ein Dauerbetrieb erforderlich ist, oder verwenden Sie die 3-polige ET63AXXS (SOT23-3)-Variante.

Weitere Optionen für Ultra-Low-Power-Regler finden Sie in unserem früheren Artikel Die 1-µA-LDO-Regler von ETEK mit extrem niedrigem Ruhestrom.

Häufig gestellte Fragen

Was passiert mit dem ET63AXX CMOS LDO-Regler, wenn VOUT höher als VIN wird?

Wenn VOUT VIN um mehr als überschreitet 20 mV (typisch)Wenn beispielsweise die Eingangsstromversorgung unterbrochen wird, während ein Ausgangskondensator oder eine Backup-Batterie geladen bleibt, schaltet der integrierte Rückstromschutzkomparator den internen PMOS-Durchgangstransistor ab und schaltet seinen Massenanschluss auf VOUT. Dies blockiert den Rückstromfluss und begrenzt die Rückwärtsleckage (IRCB) auf gerade 0,4 µA typisch ohne dass eine externe Schottky-Diode erforderlich ist.

Wie sorgt der ET63AXX für ein schnelles Einschwingverhalten bei nur 1,0 µA Ruhestrom?

Der ET63AXX verwendet a dynamische Ruhestromanpassung Architektur. Im Leerlauf wird der interne Vorstrom konstant gehalten 1,0 µA typisch um Batterieenergie zu sparen. Wenn der Regler einen schnellen Laststromsprung erkennt, erhöht er dynamisch den internen Vorspannungsstrom, um den Anstieg des Fehlerverstärkers und die Pass-FET-Gate-Ansteuerung zu beschleunigen und einen Abfall der Ausgangsspannung zu unterdrücken.

Kann ein 1,2-V- oder 1,8-V-Mikrocontroller-GPIO den EN-Pin direkt steuern?

Ja. Über den gesamten Eingangsspannungsbereich von 1,7 V bis 5,5 V liegt der logisch hohe Schwellenwert (VENH) des EN-Pins Mindestens 0,9 Vund der logisch niedrige Schwellenwert (VENL) ist Maximal 0,4 V, nur zeichnen 0,02 µA (typisch) des Eingangsstroms. Standardmäßige 1,2-V-, 1,8-V- und 3,3-V-CMOS-GPIOs können EN direkt ohne Pegelverschiebung ansteuern.

Welche Kondensatorwerte sind für die Stabilität des ET63AXX erforderlich?

Der ET63AXX ist stabil mit 1 µF Keramikkondensatoren sowohl am Eingang (CIN) als auch am Ausgang (COUT). Verwenden Sie die dielektrischen Kondensatoren X5R oder 0,47 µF bis 4,7 µF mit einem ESR dazwischen 5 mΩ und 100 mΩ.

Fazit: Zuverlässige 1,0 µA-Stromversorgung für batteriebetriebene Systeme

Für drahtlose Sensoren, tragbare Instrumente und batteriegepufferte IoT-Knoten ist die ET63AXX CMOS LDO-Regler kombiniert 1,0 µA Ruhestrom, 300 mA Ausgangsleistung, 70 dB PSRR und 20 mV Rückstromschutz in Gehäusen von nur 1 mm × 1 mm DFN4.

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