Per molte applicazioni portatili, quando si usa una batteria Li-ion (3,6 V nominali) come principale sorgente di energia, il requisito chiave per il progettista è quello di ottimizzare l'efficienza e il consumo di energia su tutte le aree del circuito stampato. Tradizionalmente, nel circuito di gestione energetica si usa un convertitore Dc/Dc, soluzione efficace ma rumorosa. Il trade-off rumorosità-efficienza può non essere rilevante se il Dc/Dc viene utilizzato per alimentare, per esempio, l'I/O sul processore principale di sistema, ma per la tensione centrale del processore, frequentemente inferiore a 1,8 V, la rumorosità deve essere evitata. Accoppiando un regolatore di tensione Ldo a basso input con il convertitore Dc/Dc, si può ottenere un'alimentazione più stabile per il nucleo del processore principale.
Funzionamento a bassa tensione
La maggior parte degli Ldo ad alta velocità oggi disponibili sul mercato utilizzano un Pmos, cioè un Mosfet a canale P, nello stadio di uscita - questo semplicemente perché il transistor interno può essere guidato direttamente dal pin VIN. L'utilizzo congiunto del pin VIN offre vantaggi per ciò che riguarda la riduzione delle dimensioni del contenitore, tuttavia è necessario limitare la tensione minima d'ingresso a un livello considerato sufficientemente sicuro per l'operatività dell'IC, e frequentemente tale livello non è abbastanza basso per le odierne applicazioni a ridotta tensione I/O. Bisogna anche tenere in considerazione il fatto che il Pmos interno è guidato da una tensione VGS negativa, ed è in effetti disposto su “ON” tramite un segnale a basso livello (0V) applicato al suo pin di porta. Se il livello di tensione al pin VIN (che è anche il pin sorgente per il Pmos interno) diventa troppo basso, allora la differenza di tensione tra la porta e la sorgente non è più sufficientemente negativa per disporre il Pmos su “ON”.
Utilizzando un transistor driver Nmos, come quello impiegato nei regolatori Ldo della nuova Serie XC6601 di Torex, si può ottenere un funzionamento anche a bassa tensione, in quanto il pin VIN non è condiviso e l'Nmos interno è pilotato da un distinto pin VBIAS. Nell'architettura di circuito rivista, il VGS del transistor driver è ora rappresentato dalla differenza tra VBIAS e VOUT, invece che tra VIN e VSS. Nella XC6601, questo significa che fornendo una tensione superiore a 2,5V al pin VBIAS, indipendentemente dal valore di VOUT, il VGS sarà sempre sufficientemente influenzato per rendere possibile il funzionamento a bassa resistenza ON. Inoltre, con bassi livelli di VOUT, la resistenza ON è ridotta, e dal momento che il VGS è indipendente dal VIN, l'operatività è possibile anche a livelli di tensione in ingresso molto bassi, pari a 1,0V.
Prestazioni a confronto
In un confronto tra prestazioni di dropout dei dispositivi XC6601 con quelle dell'XC6210, un regolatore ultra Ldo Pmos anch'esso sviluppato da Torex, si nota che con un VIN di 1,8V e una tensione in uscita di 1,5 V, e tutte le altre condizioni immutate, l'XC6601 offre un valore di dropout migliore di circa il 50%, in tutta la fascia di corrente di carico, rispetto all'XC6210. Ad una corrente di carico di 200 mA, per esempio, la tensione di dropout dell'XC6601 è di circa 75 mV, rispetto ai circa 150 mV della XC6210. L'XC6601 offre anche un'ottima prestazione di risposta a carico transitorio. Anche in presenza di carichi transitori da 1 a 100 mA, la diminuzione del VOUT è di soli 45 mV per un periodo di tempo molto breve, fino a che il VOUT torna a un valore stabile di 1,5 V. Osservando un tipico circuito applicativo si nota che viene usato un efficiente Dc/Dc step-down sincronico, come quello della Serie XC9235/36/37 a 3 MHz di Torex, per fornire 1,8 V dalla batteria. L'XC6601 usa poi il percorso di output a 1,8 V del Dc/Dc, collegato al pin VIN, per abbassare la tensione centrale del processore fino a 1,5 V. Il regolatore Nmos Ldo può essere impiegato per esigenze di I/O ridotte perché presenta una caduta di tensione di solo 38 mV a 100 mA (VBIAS - VOUT = 2,4V). Inoltre, un differenziale I/O ridotto non presenta i problemi generati da un regolatore standard, anche quando porta correnti di carico di 300 mA. Con il nuovo XC6601, la tensione in uscita può essere regolata dal produttore a qualsiasi valore tra 0,7 e 1, 8V, con scatti di 50 mV, e la fascia di tensione operativa si colloca tra 1,0 e 3,0 V. Sono tollerabili correnti in uscita fino a 400 mA, e l'Ldo può essere usato con condensatori in ceramica a basso Esr, che conferiscono una stabilità di output supplementare.
Le caratteristiche dell'XC6601
L'XC6601 consiste in un riferimento di tensione, un amplificatore di errori, un transistor driver, un limitatore di corrente, un circuito ripiegabile, un circuito di chiusura termica, un lockout sotto tensione o Uvlo, e un circuito di compensazione di fasi. I circuiti di protezione integrati per l'eccessiva corrente e di chiusura termica entrano in azione quando la corrente in uscita raggiunge il suo limite di corrente o la temperatura di collegamento raggiunge il suo limite termico. Con la funzione Uvlo inglobata, l'output del regolatore è portato in OFF quando il pin VBIAS o il pin VIN scendono sotto il livello di tensione Uvlo. La funzione CE (Chip Enable) consente ai progettisti di disattivare l'output, collocando il dispositivo in modalità stand-by, e con ciò riducendo significativamente il consumo energetico. Inoltre, nel corso della commutazione in modalità stand-by la carica elettrica del condensatore CL viene scaricata mediante l'interruttore interno di auto-scarica, facendo in modo che il pin VOUT scenda rapidamente al minimo. Il dispositivo è disponibile in un'ampia serie di contenitori miniaturizzati USP-6C, SOT-25 e SOT-89-5, che lo rendono ideale per applicazioni portatili.
