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LDO Dropout-Spannungsrechner

Berechnen Sie die Mindesteingangsspannung des LDO anhand der Dropout-Spezifikation, ermitteln Sie die Verlustleistung und schätzen Sie den Wirkungsgrad bei einer bestimmten Versorgungsspannung ab.

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Formel

η=VoutVin×100%\eta = \frac{V_{out}}{V_{in}} \times 100\%
Vout— Geregelte Ausgangsspannung (V)
Vdropout— LDO-Ausfallspannung (V)
Iload— Strom laden (A)
Rds(on)— Durchlass-MOSFET-Einschaltwiderstand (Ω)

Wie es funktioniert

Der Spannungsregler-Dropout-Rechner bestimmt die minimale Eingangsspannung und den minimalen Wirkungsgradverlust für LDO-Regler — unverzichtbar für batteriebetriebene Geräte, Nachreglerstufen und rauschempfindliche analoge Schaltungen. Techniker für Energiemanagement, Entwickler tragbarer Geräte und Mixed-Signal-Architekten verwenden dieses Tool, um die Akkuauslastung zu maximieren und gleichzeitig eine stabile Ausgangsspannung sicherzustellen. Gemäß dem TI-Anwendungshinweis SLVA079 stellt die Dropout-Spannung die kleinste Differenz zwischen Vin und Vout für die Regelung dar. Unterhalb dieses Schwellenwerts folgt der Ausgang dem Eingang mit verschlechtertem PSRR. Moderne Regler für extrem niedrige Dropout-Werte erreichen 50-150 mV bei Nennstrom mithilfe von PMOS-Durchgangstransistoren (Rds (on) = Vdropout/Iload). Gemäß der LDO-Auswahlhilfe von Analog Devices nimmt der Dropout ungefähr linear mit dem Laststrom zu: Ein 150 mV-Abfall bei 500 mA zeigt 300 mV bei 1 A. Für Lithium-Ionen-Batterieanwendungen (Entladebereich 4,2 V bis 3,0 V) arbeitet ein LDO mit 200 mV Dropout, der eine 3,3-V-Last versorgt, regelmässig bis 3,5 V Batteriespannung — und erfasst 75% der gesamten Batterieenergie gegenüber nur 60% mit einem 500-mV-Dropout-Regler.

Bearbeitetes Beispiel

Wählen Sie einen LDO für einen BLE-Sensor, der mit einem Li-Ionen-Einzelzellen-Ausgang (4,2-3,0 V) bis 3,3 V/100 mA betrieben wird. <5 µA quiescent current, PSRR >Anforderungen: Betrieb, bis die Batterie 3,4 V erreicht (95% Kapazitätsauslastung), 60 dB bei 1 kHz. Schritt 1: Berechnung des maximalen Dropouts — VDropout_Max = 3,4 - 3,3 = 100 mV bei 100 mA. Schritt 2: Auswahl der Kandidaten — TI TPS7A02 (25 mV @ 100 mA, 25 nA Iq), Analog Devices ADP160 (90 mV @ 100 mA, 560 nA Iq), Torex XC6220 (100 mV @ 100 mA, 8 µA Iq). Schritt 3: Überprüfen Sie die Temperatur — PDISS_max = (4,2 — 3,3) × 0,1 = 90 mW in SOT-23 (δJA = 180°C/W): ΔT = 16°C — akzeptabel. Schritt 4: Bewerten Sie PSRR — TPS7A02:60 dB bei 1 kHz, 40 dB bei 100 kHz. ADP160:70 dB bei 1 kHz. Schritt 5: Wählen Sie — TPS7A02 für den niedrigsten Iq (25 nA) bei ständig eingeschalteten Anwendungen und ADP160 für den besten PSRR in HF-/Analoganwendungen.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie gemäß dem Anwendungshinweis „LDO Basics“ von Analog Devices PMOS-basierte LDOs für den niedrigsten Dropout (50-200 mV) im Vergleich zu NPN-basierten (500 mV-2 V). NMOS-LDOs benötigen eine Ladungspumpe, erreichen jedoch einen Zwischenabfall (200-400 mV)
  • ✓Fügen Sie der berechneten Mindesteingangsspannung eine Marge von 100 mV hinzu, um Herstellungstoleranz, Temperaturschwankungen und transienten Headroom zu berücksichtigen — ein 100-mV-Dropout-Gerät benötigt 200 mV nominalen Headroom
  • ✓Wählen Sie für kritische Batterieanwendungen LDOs mit Rückstromsperre, um zu verhindern, dass der Akku durch den LDO entladen wird, wenn Vout > Vin während des Herunterfahrens

Häufige Fehler

  • ✗Ausfallsschwankungen beim Laststrom ignorieren — das Datenblatt gibt in der Regel einen Stromausfall bei einem Strom an (z. B. 150 mV bei 500 mA), aber bei 1 A kann er aufgrund des Durchlasstransistors Rds (an) × Strom 350 mV erreichen
  • ✗Verwendung des typischen Dropouts statt des Maximalwerts — gemäß den TI-Spezifikationen beträgt das Verhältnis zwischen typischem und maximalem Ausfall über den gesamten Temperaturbereich hinweg 1:1,5 bis 1:2; vom Design bis zum Maximalwert
  • ✗Vernachlässigung des transienten Dropouts — ein Laststromsprung von 10 mA auf 500 mA führt aufgrund der Bandbreite des Regelkreises zu einem zusätzlichen Ausfall von 50-100 mV während der Einschwingzeit von 10-50 µs

Häufig gestellte Fragen

Gemäß TI SLVA118 ist die Dropout-Spannung die Mindestdifferenz zwischen Vin und Vout, um die Regelung innerhalb der spezifizierten Genauigkeit (in der Regel 1—2%) aufrechtzuerhalten. Unterhalb des Dropouts folgt der Ausgang dem Eingang abzüglich der minimalen Sättigungsspannung des Pass-Transistors. Bei PMOS-LDOs ist Dropout = Iload × Rds (on); bei NPN-LDOs ist Dropout = Vce (sat) + Abfall des Messwiderstands (typischerweise mindestens 0,5-1 V).
Ein niedriger Dropout maximiert die nutzbare Akkukapazität und reduziert die Wärmeableitung. Laut Battery University entzieht ein 100-mV-Dropout-LDO einer Li-Ionen-Zelle 8% mehr Energie als ein 300-mV-Dropout-Regler. Bei Hochstromanwendungen (>1 A) entspricht der Unterschied von 200 mV einer Wärme von über 200 mW, sodass möglicherweise kein Kühlkörper erforderlich ist.
Vin_min = Vout + VDropout_Max + Vmargin. Beispiel: 3,3 V-Ausgang, max. 150 mV Dropout, 100 mV-Marge → VIN_min = 3,55 V. Für AC/DC-Anwendungen sollten Sie die Gleichrichterspannung (0,7 V für Silizium, 0,3 V für Schottky) und die Welligkeitsamplitude in die Berechnung von VIN_min einbeziehen. Gemäß dem TI-Designleitfaden muss der Kondensator nach dem Gleichrichter im Ripple-Tal den Wert Vin > VIN_min beibehalten.
LDO-Effizienz = Vout/Vin × 100%, begrenzt auf das theoretische Maximum von Vout/ (Vout + Vdropout). Ein 3,3-V-Ausgang mit einem Ausfall von 200 mV: /-max = 3,3/3,5 = 94,3%. Bei Vin = 5 V: ω = 3,3/5 = 66%. LDOs sind nur effizient, wenn Vin ≈ Vout ist; bei Vin > 1,5×Vout erreichen Schaltregler einen Wirkungsgrad von über 90% gegenüber LDOs mit 50-70%.
Gemäß Maxim Integrated Anwendungshinweis AN-883: Standard-LDO (NPN Darlington): 1—2 V Ausfall. Niedriger Dropout (NMOS): 300-500 mV Dropout, Ladungspumpe für Gate-Antrieb erforderlich. Extrem niedriger Dropout (PMOS): 50-200 mV Dropout, keine Ladungspumpe erforderlich. Moderne Ultra-LDOs (TI TPS7A02, ADP160) erreichen 25-100 mV bei vollem Strom mit einem Ruhestrom von <1 µA.

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