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Calculadora de queda de tensão LDO

Calcule a tensão de entrada mínima do LDO a partir da especificação de saída, determine a dissipação de energia e estime a eficiência em uma determinada tensão de alimentação.

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Fórmula

η=VoutVin×100%\eta = \frac{V_{out}}{V_{in}} \times 100\%
Vout— Tensão de saída regulada (V)
Vdropout— Tensão de saída LDO (V)
Iload— Corrente de carga (A)
Rds(on)— Passe MOSFET em resistência (Ω)

Como Funciona

A calculadora de queda do regulador de tensão determina a tensão mínima de entrada e a perda de eficiência para reguladores LDO — essencial para dispositivos alimentados por bateria, estágios pós-reguladores e circuitos analógicos sensíveis a ruídos. Engenheiros de gerenciamento de energia, projetistas de dispositivos portáteis e arquitetos de sinais mistos usam essa ferramenta para maximizar a utilização da bateria e, ao mesmo tempo, garantir uma tensão de saída estável. De acordo com a nota de aplicação SLVA079 da TI, a tensão de queda representa o diferencial mínimo de Vin - Vout para regulação; abaixo desse limite, a saída rastreia a entrada com PSRR degradado. Reguladores de queda ultrabaixa modernos atingem 50-150 mV na corrente nominal usando transistores de passagem PMOS (Rds (on) = Vdropout/Iload). De acordo com o guia de seleção de LDO da Analog Devices, a queda aumenta aproximadamente linearmente com a corrente de carga: uma queda de 150 mV a 500 mA exibe 300 mV a 1 A. Para aplicações de bateria de íon de lítio (faixa de descarga de 4,2 V a 3,0 V), um LDO com queda de 200 mV alimentando uma carga de 3,3 V opera regulando até a tensão da bateria de 3,5 V — capturando 75% da energia total da bateria versus apenas 60% com uma queda de 500 mV regulador.

Exemplo Resolvido

Selecione um LDO para um sensor BLE operando de uma única célula de íon de lítio (4,2-3,0 V) a uma saída de 3,3 V/100 mA. Requisitos: opere até que a bateria atinja 3,4 V (95% de utilização da capacidade), 60 <5 µA quiescent current, PSRR > dB a 1 kHz. Etapa 1: Calcular a queda máxima — vDropout_max = 3,4 - 3,3 = 100 mV a 100 mA. Etapa 2: Selecionar candidatos — TI TPS7A02 (25 mV @ 100 mA, 25 nA Iq), dispositivos analógicos ADP160 (90 mV @ 100 mA, 560 nA Iq), Torex XC6220 (100 mV @ 100 mA, 8 µA Iq). Etapa 3: Verifique a temperatura — PDISS_max = (4,2 - 3,3) × 0,1 = 90 mW em SOT-23 (θJA = 180°C/W): ΔT = 16°C — aceitável. Etapa 4: Avalie PSRR — TPS7A02:60 dB a 1 kHz, 40 dB a 100 kHz. ADP160:70 dB a 1 kHz. Etapa 5: Selecione — TPS7A02 para menor QI (25 nA) em aplicações sempre ativas, ADP160 para melhor PSRR em aplicações de RF/analógicas.

Dicas Práticas

  • ✓De acordo com a nota de aplicação “LDO Basics” da Analog Devices, use LDOs baseados em PMOS para menor queda (50-200 mV) versus baseados em NPN (500 mV-2 V); LDOs NMOS requerem bomba de carga, mas atingem queda intermediária (200-400 mV)
  • ✓Adicione uma margem de 100 mV à tensão de entrada mínima calculada para tolerância de fabricação, variação de temperatura e espaço livre transitório — um dispositivo de saída de 100 mV precisa de 200 mV de altura livre nominal
  • ✓Para aplicações críticas de bateria, selecione LDOs com bloqueio de corrente reversa para evitar que a bateria seja drenada pelo LDO quando Vout > Vin durante o desligamento

Erros Comuns

  • ✗Ignorando a variação de queda com a corrente de carga — a folha de dados normalmente especifica a queda em uma corrente (por exemplo, 150 mV a 500 mA), mas a 1 A ela pode chegar a 350 mV devido à passagem do transistor Rds (on) × corrente
  • ✗Usando o abandono típico em vez do máximo — de acordo com as especificações de TI, a proporção de abandono típico para o máximo é de 1:1,5 a 1:2 em toda a faixa de temperatura; projeto até o valor máximo
  • ✗Negligenciando a queda transitória — a etapa da corrente de carga de 10 mA a 500 mA causa uma queda adicional de 50-100 mV durante o período de estabilização de 10-50 µs devido à largura de banda do circuito de controle

Perguntas Frequentes

De acordo com o TI SLVA118, a tensão de queda é o diferencial mínimo de Vin - Vout para manter a regulação dentro da precisão especificada (normalmente 1-2%). Abaixo da queda, a saída segue a entrada menos a tensão mínima de saturação do transistor de passagem. Para LDOs PMOS, abandono = Iload × Rds (ligado); para LDOs NPN, abandono = Vce (sat) + sensor de queda do resistor (normalmente 0,5-1 V no mínimo).
A baixa perda de energia maximiza a capacidade utilizável da bateria e reduz a dissipação de calor. De acordo com a Battery University, um LDO de saída de 100 mV extrai 8% mais energia de uma célula de íon de lítio do que um regulador de queda de 300 mV. Em aplicações de alta corrente (>1 A), a diferença de 200 mV representa mais de 200 mW de calor — potencialmente eliminando a necessidade de dissipador de calor.
Vin_min = Vout + Vdropout_max + Vmargin. Exemplo: saída de 3,3 V, saída máxima de 150 mV, margem de 100 mV → Vin_min = 3,55 V. Para aplicações AC-DC, inclua tensão do retificador (0,7 V para silício, 0,3 V para Schottky) e amplitude de ondulação no cálculo de Vin_min. De acordo com o guia de projeto de TI, o capacitor pós-retificador deve manter Vin > Vin_min em Ripple Valley.
Eficiência LDO = Vout/Vin × 100%, limitada ao máximo teórico de Vout/ (Vout + Vdropout). Uma saída de 3,3 V com queda de 200 mV: η_max = 3,3/3,5 = 94,3%. Em Vin = 5 V: τ = 3,3/5 = 66%. Os LDOs são eficientes somente quando Vin ≈ Vout; para Vin > 1,5 × Vout, os reguladores de comutação alcançam mais de 90% de eficiência versus 50-70% do LDO.
De acordo com a nota de aplicação integrada Maxim AN-883: LDO padrão (NPN Darlington): saída de 1-2 V. Baixa queda (NMOS): queda de 300-500 mV, requer bomba de carga para acionamento do portão. Queda ultrabaixa (PMOS): queda de 50-200 mV, sem necessidade de bomba de carga. Os Ultra-LDOS modernos (TI TPS7A02, ADP160) atingem 25-100 mV em corrente total com corrente quiescente de <1 µA.

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