Funktionsweise, Spezifikationen und ICs von LDO-Reglern verstehen

Low-Dropout-Regler (LDO) im Energiemanagement sorgen für eine saubere und konstante Ausgangsspannung, selbst wenn die Eingangsspannung nur geringfügig über dem erforderlichen Wert liegt.In diesem Artikel werden die Grundlagen von LDO-Reglern, ihre Funktionsprinzipien, Spezifikationen, gängige IC-Typen, Anwendungen, Schlüsselparameter, Vorteile und Einschränkungen sowie ihr Vergleich mit Schaltreglern erläutert.

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Was sind LDO-Regulatoren?

Ein LDO oder Low-Dropout-Regler ist eine Art linearer Spannungsregler, der verwendet wird, um eine stabile und konstante Ausgangsspannung aus einer höheren Eingangsspannung bereitzustellen.Sein Hauptmerkmal ist die Fähigkeit, mit einer sehr kleinen Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, der so genannten Dropout-Spannung, zu arbeiten.Im Gegensatz zu herkömmlichen Linearreglern, die einen größeren Spannungsspielraum erfordern, können LDO-Regler eine ordnungsgemäße Regelung aufrechterhalten, selbst wenn die Eingangsspannung nur geringfügig höher als der gewünschte Ausgang ist.Dadurch eignen sie sich hervorragend für moderne elektronische Systeme, bei denen eine effiziente Stromnutzung und ein Niederspannungsbetrieb unerlässlich sind.

Da elektronische Geräte immer kleiner und leistungsempfindlicher werden, ist die Nachfrage nach effizienten und kompakten Energiemanagementlösungen gestiegen.LDO-Regler erfüllen diesen Bedarf, indem sie ein einfaches Design, stabile Leistung und zuverlässige Spannungssteuerung bieten, ohne dass komplexe externe Komponenten erforderlich sind.Sie werden häufig in batteriebetriebenen Geräten, eingebetteten Systemen und empfindlichen Schaltkreisen eingesetzt, bei denen die Aufrechterhaltung einer sauberen und stabilen Spannungsversorgung für den ordnungsgemäßen Betrieb von entscheidender Bedeutung ist.

Zusätzlich zur grundlegenden Spannungsregelung integrieren moderne LDO-Regler mehrere Funktionen, die die Steuerung, den Schutz und die Systemzuverlässigkeit verbessern.

Funktionen von LDO-Regulatoren:

• Ein/Aus-Steuerung (Funktion zum Energiesparen aktivieren)

• Verpolungsschutz

• Fehlererkennung und Power-Good-Signalisierung

• Überspannungsschutz

• Ausgangsspannungsverfolgung für Mehrschienensysteme

• Leistungssequenzsteuerung

Funktionsprinzip von LDO-Regulatoren

Das interne Funktionsprinzip eines Low-Dropout-Reglers (LDO), der ein rückkopplungsgesteuertes System verwendet.Die Eingangsspannung (Vin) kommt von links und durchläuft einen Eingangskondensator (Cin), der dabei hilft, Rauschen zu filtern und die Versorgung zu stabilisieren, bevor sie den Regler erreicht.Im LDO-Block fungiert ein PMOS-Durchgangstransistor als Hauptsteuerelement, das reguliert, wie viel Spannung an den Ausgang geliefert wird.Dieser Transistor passt seinen Leitungspegel anhand von Steuersignalen an, sodass der Regler auch bei sich ändernden Eingangsbedingungen eine konstante Ausgangsspannung aufrechterhalten kann.

Im Zentrum der Schaltung sorgt der Fehlerverstärker für die Spannungsgenauigkeit.Es vergleicht einen Teil der Ausgangsspannung, der über das Widerstandsteilernetzwerk (R1 und R2) zurückgeführt wird, mit einer stabilen Referenzspannung (Vref).Der Feedback-Pin (FB) empfängt diese geteilte Spannung und sendet sie an den Fehlerverstärker.Wenn die Ausgangsspannung unter den gewünschten Wert fällt, erhöht der Fehlerverstärker die Leitfähigkeit des PMOS-Transistors, sodass mehr Strom zum Ausgang fließen kann.Wenn die Ausgangsspannung zu stark ansteigt, wird die Leitung verringert und der Strom begrenzt.Diese kontinuierliche Anpassung bildet ein geschlossenes System, das die Ausgangsspannung stabil hält.

Auf der Ausgangsseite wird die geregelte Spannung (Vout) an die Last geliefert, während der Ausgangskondensator (Cout) dazu beiträgt, Spannungsschwankungen auszugleichen und die Stabilität bei plötzlichen Änderungen des Laststroms zu verbessern.Das Widerstandsnetzwerk (R1 und R2) bestimmt den endgültigen Ausgangsspannungspegel durch die Einstellung des Rückkopplungsverhältnisses und ist damit ein wichtiger Bestandteil der Spannungsregelung.Insgesamt zeigt das Diagramm, wie der LDO eine konstante Ausgangsspannung durch Echtzeit-Rückkopplungssteuerung, effizienten Durchgangselementbetrieb und ordnungsgemäße Filterung sowohl an der Eingangs- als auch an der Ausgangsstufe aufrechterhält.

Spezifikationen der LDO-Regler

Parameter	Typisch Bereich/Wert
Eingangsspannung (Vin)	2V bis 20V (variiert je nach Modell)
Ausgangsspannung (Vraus)	0,8V bis 15V (fest oder einstellbar)
Ausfallspannung	50 mV bis 500 mV
Ausgangsstrom	50mA bis 5A
Ruhend Strom (Iq)	1 µA bis 10 mA
Stromversorgung Ablehnungsquote (PSRR)	40 dB bis 80 dB
Ausgangsrauschen	10µVrms bis 500µVrms
Linienregulierung	0,01 % bis 0,1 %
Lastregulierung	0,01 % bis 0,5 %
Betrieb Temperatur	-40°C bis +125°C
Effizienz	Bis zu ~95 % (hängt von der Vin-Vout-Differenz ab)
Pakettypen	SOT-23, TO-220, DFN, QFN usw.

Beliebte IC-Typen von LDO-Reglern

AMS1117-Serie

Die AMS1117 ist aufgrund seiner Einfachheit und Verfügbarkeit einer der am weitesten verbreiteten LDO-Regler-ICs.Es unterstützt einen Eingangsspannungsbereich von bis zu etwa 15 V und bietet feste Ausgangsspannungen wie 1,8 V, 3,3 V und 5 V sowie eine einstellbare Version.Der maximale Ausgangsstrom beträgt typischerweise bis zu 1 A und eignet sich daher für Anwendungen mit mittlerer Leistung.Allerdings ist seine Dropout-Spannung im Vergleich zu modernen LDOs relativ höher, normalerweise etwa 1,1 V bei Volllast.Auch der Ruhestrom ist höher, was bei batteriebetriebenen Designs zu einer geringeren Effizienz führen kann.Trotz dieser Einschränkungen erfreut sich der AMS1117 nach wie vor großer Beliebtheit für den allgemeinen Einsatz, insbesondere im Prototyping, in Arduino-basierten Systemen und in einfachen Stromregelschaltungen.

LM1117-Serie

Die LM1117 Serie ist ein weiterer häufig verwendeter LDO-Regler, der eine ähnliche Funktionalität wie der AMS1117 bietet, aber von mehreren Herstellern mit einheitlichen Qualitätsstandards hergestellt wird.Er unterstützt typischerweise eine Eingangsspannung von bis zu 20 V und liefert Ausgangsströme von bis zu 800 mA.Die Abfallspannung beträgt je nach Laststrom etwa 1,2 V.Dieser Regler ist in Versionen mit festem Ausgang wie 3,3 V und 5 V sowie in einstellbaren Konfigurationen erhältlich.Es bietet eine stabile Leistung mit guter Leitungs- und Lastregelung und eignet sich daher für Unterhaltungselektronik und eingebettete Systeme.Aufgrund seines relativ hohen Dropout- und Ruhestroms ist er jedoch wie der AMS1117 nicht ideal für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch oder batterieempfindlichen Anwendungen.

TLV700-Serie

Die TLV700 ist ein moderner LDO-Regler mit geringem Stromverbrauch, der für energieeffiziente Anwendungen entwickelt wurde.Er arbeitet mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von ca. 2 V bis 5,5 V und unterstützt Ausgangsströme bis zu 200 mA.Einer seiner Hauptvorteile ist seine sehr niedrige Dropout-Spannung, typischerweise etwa 100 mV, wodurch es für batteriebetriebene Geräte geeignet ist.Der Ruhestrom ist extrem niedrig, oft im Mikroampere-Bereich, was eine längere Batterielebensdauer ermöglicht.Darüber hinaus bietet der TLV700 ein geringes Ausgangsrauschen und ein gutes Stromversorgungsunterdrückungsverhältnis (PSRR), was ihn ideal für empfindliche Analog- und HF-Schaltkreise macht.Sein kompaktes Paket und seine Effizienz machen es zu einer guten Wahl für tragbare Elektronikgeräte.

MCP1700-Serie

Die MCP1700 Die Serie ist bekannt für ihren extrem niedrigen Ruhestrom und ihre hohe Effizienz in stromsparenden Designs.Es unterstützt einen Eingangsspannungsbereich von bis zu 6 V und liefert Ausgangsströme bis zu 250 mA.Die Dropout-Spannung ist sehr niedrig, typischerweise etwa 178 mV bei Volllast, wodurch die Regelung auch dann aufrechterhalten werden kann, wenn die Batteriespannung nahe an der Ausgangsspannung liegt.Der Ruhestrom ist extrem niedrig, oft weniger als 2 µA, was ihn ideal für Anwendungen wie Wearables, Sensoren und IoT-Geräte macht.Obwohl es keinen hohen Ausgangsstrom unterstützt, eignet es sich aufgrund seiner Effizienz und seines geringen Stromverbrauchs hervorragend für den langfristigen Batteriebetrieb.

TPS7A02-Serie

Die TPS7A02 Serie ist ein LDO-Regler mit extrem niedrigem Ruhestrom, der für fortschrittliche Systeme mit geringem Stromverbrauch entwickelt wurde.Er arbeitet mit einem Eingangsspannungsbereich von 1,4 V bis 6,5 V und unterstützt Ausgangsströme bis zu 200 mA.Die Dropout-Spannung ist sehr niedrig, typischerweise unter 200 mV, was einen effizienten Betrieb unter Niederspannungsbedingungen gewährleistet.Eines seiner herausragenden Merkmale ist der extrem niedrige Ruhestrom, der oft unter 1 µA liegt, was die Batterielebensdauer erheblich verlängert.Es bietet außerdem ein hervorragendes PSRR und ein geringes Ausgangsrauschen, wodurch es sich für präzise analoge Schaltkreise und drahtlose Kommunikationsmodule eignet.Diese Serie wird häufig in modernen tragbaren und energieempfindlichen Geräten verwendet.

LT1763-Serie

Die LT1763 ist ein Hochleistungs-LDO-Regler, der für Anwendungen entwickelt wurde, die geringes Rauschen und hohe Genauigkeit erfordern.Es unterstützt einen Eingangsspannungsbereich bis zu 20 V und liefert Ausgangsströme bis zu 500 mA.Die Dropout-Spannung ist relativ niedrig und liegt je nach Last bei etwa 300 mV.Eine seiner Hauptstärken ist sein sehr niedriges Ausgangsrauschen, oft unter 20 µVrms, und sein hoher PSRR, was ihn ideal für empfindliche analoge Systeme wie Audio-, HF- und medizinische Geräte macht.Es verfügt außerdem über Schutzfunktionen wie Strombegrenzung und thermische Abschaltung, die einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen gewährleisten.

Breite Einsatzmöglichkeiten von LDO-Reglern

• Stromversorgung für Mikrocontroller und Prozessoren

• Batteriebetriebene Geräte und tragbare Elektronik

• Smartphones und Tablets

• IoT-Geräte und Funkmodule

• HF- und Kommunikationsschaltungen

• Sensoren und analoge Signalaufbereitungsschaltungen

• Audio- und rauscharme Anwendungen

• Medizinische Geräte und Instrumente

• Automobilelektroniksysteme

• Industrielle Steuerungssysteme

• FPGA- und DSP-Leistungsregelung usw.

Schlüsselparameter von LDO-Regulatoren

Parameter	Symbol	Beschreibung
Eingangsspannung	VIN	Versorgungsspannung auf das LDO angewendet;muss innerhalb des angegebenen Betriebsbereichs bleiben
Ausgangsspannung	VAUS	Reguliert Spannung, die der Last zugeführt wird
Ausfallspannung	VTUN oder VTROPFEN	Mindestens Differenz zwischen ( V_{IN} ) und ( V_{OUT} ), die für eine ordnungsgemäße Regulierung erforderlich ist
Ausgangsstrom	IchAUS	Maximaler Strom Der LDO kann an die Last liefern
Ruhend Aktuell	IchF	Interner Strom wird vom LDO während des Betriebs verbraucht
Macht Zerstreuung	PD	Strom verloren als Wärme, typischerweise ( (V_{IN} - V_{OUT}) \times I_{OUT} )
Linienregulierung	—	Ausgangsspannung Schwankungen aufgrund von Änderungen der Eingangsspannung
Lastregulierung	—	Ausgangsspannung Schwankung aufgrund von Änderungen im Laststrom
Stromversorgung Ablehnungsverhältnis	PSRR	Fähigkeit dazu Unterdrücken Sie das Auftreten von Eingangsspannungsrauschen am Ausgang
Ausgangsrauschen	VLärm	Geräuschpegel in der Ausgangsspannung vorhanden
Rückkopplungsspannung	VFB	Verwendete Spannung die Rückkopplungsschleife für die Regulierung
Referenz Spannung	VREF	Innen stabil Referenz zum Vergleich verwendet
Effizienz	\eta	Verhältnis der Leistung Leistung zur Eingangsleistung
Kreuzung Temperatur	TJ	Intern Temperatur des LDO-Geräts
Thermisch Widerstand	\thetaJA	Widerstand von Verbindung zur Umgebung, was die Wärmeableitung beeinträchtigt
Ausgangskondensator	CAUS	Kondensator verwendet um die Ausgangsspannung zu stabilisieren und das Einschwingverhalten zu verbessern
Eingangskondensator	CIN	Kondensator verwendet um Eingangsspannungsrauschen zu filtern
Rückmeldung Widerstände	R1, R2	Extern Widerstände zur Einstellung der einstellbaren Ausgangsspannung

Vorteile und Grenzen von LDO-Regulatoren

Vorteile von LDO-Reglern

• Einfaches Schaltungsdesign

• Geringes Ausgangsrauschen

• Hohes Netzteilunterdrückungsverhältnis (PSRR)

• Schnelle Einschwingreaktion

• Erfordert weniger externe Komponenten

• Kompakte und kostengünstige Lösung

• Geeignet für empfindliche Analog- und HF-Anwendungen

• Einfache Integration in kleine elektronische Systeme

Einschränkungen der LDO-Regulierungsbehörden

• Geringere Effizienz, wenn V_IN≫V_AUS

• Leistungsverlust als Wärme durch linearen Betrieb

• Begrenzte Ausgangsstromfähigkeit im Vergleich zu Schaltreglern

• Wärmemanagement bei höherer Belastung erforderlich

• Nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet

• Der Wirkungsgrad nimmt mit höherem Spannungsabfall ab

• Begrenzte Flexibilität bei Anwendungen mit großem Eingangsspannungsbereich

LDO vs. Schaltregler: Hauptunterschiede

Parameter	LDO Regler (linear)	Wechseln Regulierungsbehörde (SMPS)
Arbeiten Prinzip	Lineare Steuerung unter Verwendung eines Durchgangstransistors	Hochfrequenz Schalten mit Induktivität und Kondensator
Effizienz	Niedrig bis mäßig (hängt von Vin − Vout ab)	Hoch (normalerweise 80 %–95 %)
Ausgangsrauschen	Sehr geräuscharm	Erhöhter Lärm bedingt zum Wechseln
Schaltung Komplexität	Einfaches Design	Komplexer Design
Extern Komponenten	Wenige Komponenten (Kondensatoren, Widerstände)	Erfordert Induktivitäten, Dioden, Kondensatoren
Größe	Kompakt	Größer aufgrund zusätzliche Komponenten
Wärmeableitung	Höhere (Leistung Verlust als Wärme)	Niedriger (mehr effiziente Energieumwandlung)
Aussteiger Fähigkeit	Sehr niedrig (kann in der Nähe von Vin ≈ Vout betreiben)	Nicht anwendbar (kann die Spannung erhöhen oder verringern)
Ausgangsstrom Fähigkeit	Mäßig	Hoch
Vorübergehend Antwort	Schnell und reibungslos	Langsamer im Vergleich zu LDO
EMI (Elektromagnetische Interferenz)	Sehr niedrig	Höher aufgrund Schaltfrequenz
Kosten	Niedrig	Höher aufgrund hinzugefügte Komponenten
Bewerbung Eignung	Geräuscharm, Anwendungen mit geringem Stromverbrauch	Hohe Leistung, hocheffiziente Anwendungen
Anwendungsbeispiele	Sensoren, HF Schaltkreise, Mikrocontroller	Netzteile, DC-DC-Wandler, Batteriesysteme

Fazit

In diesem Artikel haben wir das Grundkonzept von LDO-Reglern, den internen Arbeitsmechanismus, wichtige Spezifikationen und weit verbreitete IC-Typen sowie deren Anwendungen in verschiedenen Branchen untersucht.Wir untersuchten auch wichtige Designparameter, Vorteile und Einschränkungen sowie den Vergleich von LDOs mit Schaltreglern hinsichtlich Effizienz, Komplexität und Leistung.Während LDO-Regler möglicherweise nicht die beste Wahl für Anwendungen mit hoher Leistung oder hohem Wirkungsgrad sind, sind sie weiterhin die bevorzugte Lösung in Systemen, die sauberen Strom, geringes Rauschen und eine einfache Implementierung erfordern.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wie wähle ich den richtigen LDO-Regler für mein Projekt aus?

Wählen Sie basierend auf Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannung, Strombedarf, Dropout-Spannung und Ruhestrom.Berücksichtigen Sie auch den Geräuschpegel und die Paketgröße.

2. Was passiert, wenn die Eingangsspannung unter die Dropout-Spannung fällt?

Der LDO kann nicht mehr richtig regeln und die Ausgangsspannung beginnt zusammen mit der Eingangsspannung zu sinken.

3. Kann ein LDO-Regler die Spannung erhöhen?

Nein, LDO-Regler können die Spannung nur herabsetzen.Zur Spannungserhöhung ist ein Schaltregler erforderlich.

4. Warum ist der Ruhestrom bei LDO-Reglern wichtig?

Der Ruhestrom beeinflusst die Batterielebensdauer.Niedrigere Werte reduzieren den Stromverbrauch und machen den LDO im Standby-Modus oder bei geringer Last effizienter.

5. Benötigen LDO-Regler einen Kühlkörper?

Kühlkörper werden benötigt, wenn die Verlustleistung hoch ist, insbesondere bei großen Spannungsunterschieden oder hohen Ausgangsströmen.

6. Wie wirken sich Ausgangskondensatoren auf die LDO-Leistung aus?

Ausgangskondensatoren verbessern die Stabilität und das Einschwingverhalten.Falsche Werte können zu Instabilität oder Schwingungen führen.

7. Was ist der Unterschied zwischen festen und einstellbaren LDO-Reglern?

Feste LDOs bieten eine voreingestellte Ausgangsspannung, während einstellbare LDOs eine individuelle Anpassung mithilfe externer Widerstände ermöglichen.