Kriterium Dropout-Spannung, Massestrom und Stabilität Die gebräuchlichsten Arten von Linearreglern im Vergleich

Das Durchgangselement in einem Linearregler bestimmt die Dropout-Spannung und den Massestrom, was wiederum die Art der Anwendung festlegt, für die der Regler geeignet ist. Jeder der fünf heute hauptsächlich verwendeten Linearregler beinhaltet unterschiedliche Durchgangselemente mit verschiedenen Charakteristika, durch die er mehr oder weniger für eine Aplikationen geeignet ist.

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Ein Standard-NPN-Regler verwendet einen PNP-Transistor (Q1) und ein NPN-Darlington-Transistorpaar (Q2 und Q3) als Durchgangselemente. Die Dropout-Spannung liegt zwischen 1,8 und 2,4 V (UDROP = USAT(Q1) + UBE(Q2) + UBE(Q3)). Zu den Vorteilen des Standard-NPN-Reglers zählen:

• Konstanter Massestrom von einigen mA, der nahezu gleich dem Basisstrom des PNP-Transistors ist (Laststrom dividiert durch die Verstärkung des Durchgangselements).
• Feste Stabilität ohne Ausgangskondensator, da das Durchgangselement einer gängigen Kollektorkonfiguration mit sehr geringer Ausgangsimpedanz ähnelt.

Standard-NPN-Regler eignen sich für Applikationen, bei denen die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang hoch ist. Die hohe Dropout-Spannung dieses Reglers ist in Embedded-Anwendungen allerdings nicht erwünscht.

Der NPN-Durchgangstransistorregler verwendet einen PNP-Transistor (Q1) und einen NPN-Transistor (Q2) als Durchgangselement. Die Dropout-Spannung liegt zwischen 1,0 und 1,5 V (UDROP = USAT(Q1) + UBE(Q2)). Zu seinen Charakteristika zählen:

• Hohe Verstärkung durch konstanten Massestrom von einigen mA,
• Gängige Kollektorkonfiguration mit niedriger Ausgangsimpedanz, die aber höher als bei einem Standard-NPN-Regler ist.

Für mehr Stabilität ist daher ein Ausgangskondensator mit niedriger Kapazität erforderlich, dessen äquivalenter Serienwiderstand (ESR) nicht ins Gewicht fällt.

Der NPN-Durchgangstransistorregler eignet sich durch seine geringere Dropout-Spannung und einfache Anwendung für zahlreiche Embedded-Applikationen. Die Dropout-Spannung ist für batteriebetriebene Anwendungen mit niedrigeren Spannungsdifferenzen jedoch nicht niedrig genug.

Der PNP-Durchgangstransistorregler ist ein Low-Dropout-Regler (LDO) mit einem PNP-Transistor (Q1) als Durchgangselement. Die Dropout-Spannung liegt zwischen 0,3 und 0,7 V (UDROP = USAT(Q1)). Dieser Reglertyp weist folgende Nachteile auf:

• Geringe Verstärkung führt zu einem schwankenden Massestrom von einigen mA.
• Hohe Ausgangsimpedanz durch Emitterkonfiguration erfordert für mehr Stabilität einen Ausgangskondensator mit einem bestimmten Kapazitäts- und ESR-Wert.

Durch die niedrige Dropout-Spannung eignet sich der PNP-Durchgangstransistorregler für batteriebetriebene Embedded-Applikationen. Der hohe Massestrom verringert allerdings die Batterielebensdauer.

Der p-Kanal-FET-Regler verwendet einen p-Kanal-FET (Q1) als Durchgangselement. Die Dropout-Spannungen ergibt sich durch UDROP = RDS(ON)(Q1) x IOUT, wobei RDS(ON) (Q1) der Drain-Source-Widerstand des FETs im eingeschalteten Zustand und IOUT der Ausgangsstrom ist. Die Dropout-Spannung dieses Reglers ist niedrig, da sich RDS(ON) durch die Auswahl des FETs auf einen niedrigen Wert trimmen lässt. Der p-Kanal-FET-Regler weist folgende Charakteristika auf:

• Niedriger Massestrom durch den niedrigen Gate-Strom des p-Kanal-FET.
• Die relativ hohe Gate-Kapazität des p-Kanal-FETs erfordert einen Ausgangskondensator mit einem bestimmten Kapazitäts- und ESR-Wert.

Durch seine geringen Werte bei Dropout-Spannung und Massestrom eignet sich der p-Kanal-FET-Regler für zahlreiche batteriebetriebene Geräte.

Der n-Kanal-FET-Regler verwendet einen n-Kanal-FET (Q1) als Durchgangselement. Die Dropout-Spannung beträgt UDROP = RDS(ON)(Q1) x IOUT und fällt wie der Massestrom niedrig aus. Für mehr Stabilität ist ein Ausgangskondensator erforderlich. Die Kapazität kann dabei niedrig gewählt werden, der ESR spielt keine Rolle. Eine Ladungspumpe für die Gate-Bias-Spannung ist erforderlich, was einen komplexeren Schaltkreis erforderlich macht. N-Kanal-FETs sind bei gleichem Laststrom allerdings nur halb so groß wie ein p-Kanal-FET. N-Kanal-FET-Regler eignen sich für Anwendungen, die eine niedrige Dropout-Spannung, einen geringen Massestrom und hohen Laststrom erfordern.

Jede Art von Linearregler bietet verschiedene Vor- und Nachteile. Letztendlich muss der Entwickler entscheiden, welcher Linearregler sich für seine Applikation am Besten eignet. Entscheidungskriterien sind dabei die Dropout-Spannung, der Massestrom und die Anforderungen an die Stabilität.

*Qi Deng arbeitet als Senior Applications Engineer, bei der Analogue and Interface Products Division von Microchip Technology.

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