Dimensionamento de reguladores lineares

Um regulador linear recebe uma tensão de entrada e busca manter uma tensão de saída definida para a carga. Para isso, ele ajusta a queda de tensão em seu elemento interno de passagem.

Se a entrada aumenta, o regulador pode aumentar essa queda interna. Se a carga muda, ele também corrige sua ação. A energia correspondente à diferença de tensão não é convertida em uma tensão maior: em grande parte, torna-se calor no regulador.

A saída só permanece regulada enquanto entrada, corrente de carga e temperatura estiverem dentro das condições especificadas para o componente e sua montagem.

Sem analisar o circuito interno, use este modelo funcional:

• Entrada (VIN): recebe a energia da fonte.
• Elemento de passagem: fica no caminho entre entrada e saída e ajusta sua queda de tensão.
• Saída (VOUT): alimenta a carga.
• Referência: representa o valor elétrico usado como comparação.
• Realimentação: informa ao regulador o valor efetivo da saída para que ele corrija desvios.

A realimentação negativa já foi estudada: aqui, ela permite ao regulador compensar variações dentro de sua capacidade, e não eliminar qualquer limitação física.

Há duas formas comuns de definir a tensão de saída:

• Regulador fixo: a tensão nominal de saída é estabelecida pelo próprio modelo, como 3,3 V ou 5 V. A folha de dados informa sua faixa de tolerância e as condições para atendê-la.

• Regulador ajustável: a saída é definida por uma rede externa ligada ao terminal de ajuste, seguindo a equação e o circuito recomendados pelo fabricante.

“Fixo” e “ajustável” descrevem como a saída é definida; ambos ainda precisam respeitar seus limites de entrada, corrente e temperatura.

Associe cada elemento à sua função no modelo funcional do regulador.

Em um regulador fixo, a saída é definida pelo modelo. Por exemplo, um componente pode ser especificado para 3,3 V ou 5,0 V. Na folha de dados, confirme a tensão nominal, sua tolerância e as condições da especificação; não deduza a saída apenas pelo encapsulamento ou por um nome comercial.

Em um regulador ajustável, uma rede externa ligada ao terminal de ajuste define a saída. O esquema e a equação são próprios do componente: use sempre os dados do fabricante. Nesta etapa, será usado um modelo didático de três terminais.

Se for escolhido o valor comercial R2 = 715 Ω, faça a conferência com a equação completa:

V_saida = 1,25 × (1 + 715/240) + 0,000050 × 715

V_saida ≈ 5,010 V.

A parcela da corrente de ajuste é 0,000050 × 715 = 0,0358 V. Ela pode ser pequena, mas só deve ser omitida quando a documentação e a precisão exigida justificarem essa aproximação.

Alguns modelos também exigem uma corrente mínima de carga para permanecer dentro da especificação. Quando esse requisito existir, a corrente do divisor e da carga deve atendê-lo conforme a folha de dados.

Agora faça uma conferência independente no mesmo modelo. Considere V_ref = 1,25 V, I_ajuste = 50 µA, R1 = 240 Ω e o resistor comercial R2 = 390 Ω.

Calcule V_saida pela equação completa e informe o resultado arredondado para três casas decimais, em volts.

Antes de seguir para a verificação da entrada, confirme: esquema compatível com o componente, R1 e R2 nas posições corretas, parâmetros usados nas condições declaradas e saída recalculada depois de escolher resistores reais.

A diferença de tensão disponível entre os pinos do regulador é:

ΔV_disponível = V_entrada − V_saída

Já o dropout é a diferença mínima que o componente exige para continuar regulando em condições especificadas de corrente e temperatura. Portanto, a condição de regulação é:

ΔV_disponível ≥ V_dropout aplicável

A igualdade representa o limiar idealizado: abaixo dele, o elemento de passagem já não consegue criar a queda interna necessária e a saída pode ficar abaixo do valor especificado. Com folga, ΔV_disponível pode ser muito maior que o dropout publicado.

O dropout não costuma ser um único número válido para qualquer situação. Ao ler uma tabela ou gráfico, confira as condições associadas ao dado:

• Corrente de saída: em geral, uma corrente maior requer dropout maior.
• Temperatura: o dropout pode variar ao longo da faixa térmica; use a condição indicada pelo fabricante.
• Tensão de saída, versão do componente e método de ensaio: podem limitar a validade da especificação.

Para o dimensionamento, procure um valor que cubra a maior corrente prevista e a faixa de temperatura aplicável. Não escolha o menor ponto de uma curva se ele pertence a outra condição.

Um LDO (low-dropout regulator) é um regulador linear projetado para exigir uma queda mínima menor que a de outros reguladores lineares comparáveis. Isso pode ajudar quando a entrada está pouco acima da saída.

Mas LDO não significa dropout zero, nem capacidade de elevar uma entrada menor que a saída. Ele continua precisando de uma diferença mínima aplicável entre entrada e saída. Também não significa dissipação desprezível: quando há corrente e diferença de tensão, há potência a considerar. A avaliação térmica será feita adiante.

Para verificar se a saída continua regulada, olhe o pior instante: a menor tensão nos pinos de entrada do regulador. A tensão nominal da fonte — e, em uma fonte com ondulação, também a tensão média — não garante esse ponto.

No vale da ondulação, a tensão que chega ao componente pode ser menor ainda por causa das quedas em cabo, conector, trilha ou contato. Portanto, a sequência é:

1. encontre o menor valor fornecido pela fonte;
2. desconte as quedas até o pino IN;
3. compare o resultado com a saída exigida mais o dropout aplicável.

A ondulação pode ser informada de formas diferentes. Use a relação que corresponde ao dado disponível:

• Se você conhece o pico e a ondulação é dada em pico a pico:

V_fonte,mín = V_pico − V_ondulação,pp

• Se você conhece a média de uma ondulação aproximadamente centrada:

V_fonte,mín ≈ V_média − V_ondulação,pp / 2

Não trate um valor pico a pico como se fosse uma queda inteira a partir da média. E não suponha que uma tensão nominal seja o valor mínimo sem dados que confirmem isso.

Depois, desconte as quedas externas:

V_entrada,mín = V_fonte,mín − V_quedas de conexão

Com a tensão mínima nos pinos, calcule a margem de entrada:

M_entrada = V_entrada,mín − (V_saida,máx + V_dropout,máx)

Use a maior saída que o projeto precisa garantir e o dropout máximo aplicável à corrente e à temperatura já definidos.

No caso anterior, suponha:

• V_entrada,mín = 7,45 V
• V_saida,máx = 5,10 V
• V_dropout,máx = 1,10 V

M_entrada = 7,45 − (5,10 + 1,10) = 1,25 V

Há 1,25 V além do mínimo necessário nesse vale.

Uma fonte tem 9,0 V no pico e ondulação de 1,0 V pico a pico. As conexões retiram 0,20 V no vale. Para V_saida,máx = 5,05 V e V_dropout,máx = 1,20 V, complete a margem de entrada em volts.

A corrente quiescente, I_quiescente, é a corrente que o próprio regulador retira da entrada para alimentar seus circuitos internos. Ela não é entregue à carga.

Para uma estimativa em regime permanente, use:

P_diss ≈ (V_entrada − V_saída) × I_saída + V_entrada × I_quiescente

A primeira parcela é a potência associada à corrente fornecida pela saída. A segunda é o consumo interno alimentado pela entrada. Use os valores e as condições informados para o componente; um valor típico em vazio não deve ser adotado automaticamente para outra corrente ou temperatura.

Para aquecimento, procure uma combinação compatível de maior tensão de entrada, maior corrente de saída e menor tensão de saída. Ela tende a maximizar a queda interna do regulador e a corrente que a atravessa.

Isso é diferente da verificação de dropout: para dropout, o caso crítico normalmente é o menor valor de entrada disponível. Os dois extremos devem ser avaliados separadamente.

No exemplo anterior, complete a parcela de potência associada à corrente quiescente:

P_quiescente = 12 V × 3 mA = ____ W

A estimativa térmica liga a dissipação já calculada à montagem real do regulador:

T_j ≈ T_ambiente + P_diss × R_θJA

Use a maior temperatura ambiente prevista para o equipamento, não a temperatura confortável da bancada. E use o valor de R_θJA documentado para uma condição de montagem comparável: encapsulamento, placa, área de cobre e circulação de ar.

O resultado é uma estimativa da temperatura de junção — a região interna do semicondutor onde a potência vira calor. Não é uma leitura direta da superfície do encapsulamento.

O máximo absoluto do componente é 150 °C, mas o projeto define um limite mais conservador de 125 °C. A margem térmica é calculada contra o limite de projeto:

M_térmica = T_limite de projeto − T_j

M_térmica = 125 °C − 100,4 °C = 24,6 °C

Há margem positiva nas condições declaradas. Isso não prova o mesmo resultado em qualquer placa, nem transforma 150 °C em temperatura-alvo de operação.

Um regulador dissipa 1,20 W. A folha de dados informa RθJA = 42 °C/W em uma placa de teste especificada, e o ambiente máximo previsto é 50 °C. O projeto usa limite de 125 °C. Qual conclusão é tecnicamente adequada?

A faixa admissível não é definida por um único número de corrente ou tensão. Ela é a interseção de todas as condições aplicáveis ao mesmo ponto de operação:

• entrada suficiente para vencer o dropout;
• entrada dentro da faixa de operação recomendada;
• corrente dentro da capacidade especificada;
• temperatura de junção abaixo do limite de projeto para a montagem real.

Assim, um regulador pode suportar determinada corrente em uma entrada baixa, mas não na mesma corrente quando a entrada aumenta e a dissipação cresce. O valor de corrente destacado na folha de dados não é uma garantia isolada: ele depende de entrada, temperatura ambiente e montagem.

Considere este caso didático, já associado a uma montagem documentada: saída de 5,0 V, dropout máximo de 0,5 V, corrente nominal máxima de 0,50 A, entrada recomendada entre 5,5 V e 12 V, temperatura ambiente máxima de 40 °C e limite de projeto de junção de 100 °C.

Com RθJA = 50 °C/W, a potência máxima pelo critério térmico é:

P_diss,máx = (100 − 40) / 50 = 1,20 W

Para os pontos abaixo, use:

P_diss ≈ (V_entrada − 5,0 V) × I_saída + V_entrada × 0,002 A

A corrente quiescente de 2 mA foi informada para este exemplo.

O ponto A atende à entrada mínima, à corrente e ao limite térmico. O ponto B tem corrente abaixo de 0,50 A, mas falha porque dissipa 1,770 W, acima dos 1,20 W permitidos pela montagem. O ponto D dissipa pouco, porém sua entrada de 5,4 V é menor que os 5,5 V exigidos para manter 5,0 V na saída com o dropout aplicável.

Portanto, reduzir a corrente máxima permitida em entradas altas pode tornar o projeto viável. Outra possibilidade é restringir a entrada máxima. Em qualquer alteração, todos os limites devem ser verificados outra vez.

A queda na saída é um sintoma, não um diagnóstico

Uma saída abaixo do valor ajustado pode ocorrer por dropout, por limite de corrente ou por restrição térmica. Para formular uma hipótese, reúna dados do mesmo ponto de operação:

• tensão nos pinos de entrada do regulador;
• tensão e corrente de saída;
• comportamento ao longo do tempo;
• dissipação e temperatura de junção estimada.

Compare essas evidências com os limites aplicáveis ao componente e à montagem. Não provoque sobrecarga nem desligamento térmico para testar: analise dados fornecidos ou medições feitas dentro de condições seguras.

Associe cada registro à hipótese mais sustentada. Considere que os valores já foram medidos ou calculados em condição segura.

Use este caso integrado. Considere os valores fornecidos para este modelo de regulador ajustável e para esta montagem; eles não devem ser generalizados para outros componentes.

A carga externa pode variar de 0 a 350 mA. O divisor também consome corrente da saída. A proposta inicial é aceitar a faixa de 6,4 V a 9,0 V nos pinos de entrada, com ambiente de até 35 °C.

A análise deve confirmar quatro pontos: saída ajustada, margem no vale da entrada, dissipação no pior extremo e temperatura de junção.

Primeiro, determine a saída e inclua no balanço a corrente do divisor:

• Vsaída = 1,25 × (1 + 720/240) + 50 µA × 720 = 5,036 V.
• Corrente no divisor: 1,25 V / 240 Ω = 5,21 mA.
• Corrente total de saída no pior caso: 350 mA + 5,21 mA = 355,21 mA.

No vale de 6,4 V, a margem de entrada é:

M = 6,4 − (5,036 + 0,80) = 0,564 V.

A margem é positiva: há tensão suficiente para regular nesse ponto, segundo o dropout máximo informado.

Para aquecimento, use o outro extremo: entrada máxima e corrente total máxima.

P_diss ≈ (9,0 − 5,036) × 0,35521 + 9,0 × 0,005
P_diss ≈ 1,45 W

Tj ≈ 35 + 1,45 × 40 = 93 °C

Margem térmica ≈ 110 − 93 = 17 °C.

Conclusão para este caso: a faixa proposta de 6,4 V a 9,0 V e até 350 mA de carga externa é aprovada pelo modelo, pois atende ao dropout, à corrente máxima de 500 mA e ao limite térmico de projeto. A condição que exige maior atenção é a térmica, não uma proteção interna.

Em uma ficha de dimensionamento, uma conclusão curta deve informar a faixa aprovada, o resultado elétrico no vale, a condição térmica no extremo de dissipação e as condições que tornam o cálculo válido.

Se a temperatura ambiente prevista aumentasse ou a montagem tivesse RθJA maior, uma correção compatível seria restringir entrada ou corrente, ou melhorar a condição térmica. Depois, todos os limites precisariam ser recalculados. Não use limitação de corrente ou desligamento térmico como margem normal de projeto.