LBY – 12/05/2008 – 1.2 1
RRéégulateurs de gulateurs de tension lintension linééairesaires
LBY – 12/05/2008 – 1.2 2
RRéégulateurs : principes de basegulateurs : principes de base
Montage « standard »
inout II ≅
ininin IVP = outoutout IVP =
outoutinoutinD IVVPPP )( −=−=
Pertes
LBY – 12/05/2008 – 1.2 3
RRéégulateurs : principes de basegulateurs : principes de base
Montage « LDO » (Low Drop-Out)Avantages:
• pertes réduites
Inconvénients:
• faible diff. Vout – Vin
• instabilité !
LBY – 12/05/2008 – 1.2 4
Bloc dBloc d’’alimentionalimention typiquetypique
Application typique du régulateur linéaire de tension
Le régulateur de tension linéaire est employélorsqu’on a besoin d’une grande précision & stabilité sur la tension de sortie sans bruit ni ondulations.
Exemple: Régulation précise d’une des sorties d’un DC/DC de type « flyback ».
Circuit simple, mise en œuvre facile
Faible coût
Bruit(s) à la sortie réduits (favorable à l’EMC)
Avantages:
Pertes ~Vin/Vout peuvent être très élevées
Approprié uniquement pour des faibles puissances
Fonctionnement uniquement en « abaisseur » de tension
Inconvénients
LBY – 12/05/2008 – 1.2 5
RRéégulateurs : boucle de rgulateurs : boucle de rééglageglage
Boucle de réglage (circuit de contrôle):
REFout VRRV ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
2
11Sortie:
R1
R2
Exercice :On souhaite réaliser un régulateur de tension linéaire pour Uin=12V, Uout=10V et VRef=2.5V.1. Calculer le rapport R1/R2.2. Calculer les valeurs de R1 et R2, afin d’obtenir un rendement ≥80% avec Iout=200mA et Iccreg=8mA.
LBY – 12/05/2008 – 1.2 6
RRéégulateurs : Structures de Ballastgulateurs : Structures de Ballast
AIout 1< AIout 1>
AIout 1<
AIout 1>
AIout 1>Vin-Vout > 1
Vin-Vout > 1.5
Vin-Vout > 2
Vin-Vout > 0.1 Vin-Vout > RDSon Iout
Non-inverseurs:
Zout faible Zout faible
Zout important Zout important Zout important
Inverseurs: ->stabilité !
Darlington
LBY – 12/05/2008 – 1.2 7
RRéégulateurs : Exemplegulateurs : Exemple
Régulateurs 3 terminaisons:)( outGNDinininin IIVIVP +==
outoutout IVP =
GNDinoutoutinoutinD IVIVVPPP +−=−= )(
Exemple: LM317Q25
VREF=1.25V
Q26
R1
IP=50 A
I
ADJ
Vout
Vin
LM317
Q12
Q16Q18
Q19
Q17
R15
R14
R2
PREFout IRVRRV 2
1
21 +⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
LBY – 12/05/2008 – 1.2 8
0
-IDS2 -VGSMax
V(Dropout)
P0
Mode source de courant
P2
P1
DS-VDS0-VDS1 -VDS2
-IDS0
-IDSmin
-VTH-VGSMax -VGS1-VGS
-IDS
-V =-(V -V )in out
Mode résistance
-VGSMin
-VGSMin
-IDS1
(Région linéaire) (Région saturée)
RRéégulateurs LDO: rappel MOSgulateurs LDO: rappel MOS
S DG
S DG S DG
THGSDS VVV −<< THGSDS VVV −≤
A. Zone linéaire B. Zone « pincement »
C. Zone « saturée »
THGSDS VVV −>
( )
THGSDS
THGSDS
DS
VVVpour
VVR−<<
−⋅≅= κσ 1
THGSDS VVV −=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−⋅≅= TH
DSGS
DSDS V
VVR 2
1 κσ
∞→→
DS
DS
R0σ
Attention MOS type P: VGS, VDS < 0 !
Régulateurs LDO: Rappels MOSFET
LBY – 12/05/2008 – 1.2 9
0
-IDS2 -VGSMax
V(Dropout)
P0
Mode source de courant
P2
P1
DS-VDS0-VDS1 -VDS2
-IDS0
-IDSmin
-VTH-VGSMax -VGS1-VGS
-IDS
-V =-(V -V )in out
Mode résistance
-VGSMin
-VGSMin
-IDS1
(Région linéaire) (Région saturée)
MOS: modMOS: modèèles linles linééairesaires
RDS
CGSgm VGS
S D
VGS
MOSFET Canal P
Vout
G
Vin
RDS
CGSgm VGS
S D
VGS
MOSFET Canal P
Vout
G
Vin
GS
DSm V
Ig∂∂
=
Attention au signe de gmdans notre cas !
Régulateurs LDO: modèles MOSFET
LBY – 12/05/2008 – 1.2 10
RRéégulateurs LDO: principesgulateurs LDO: principes
R1
S D
G
C
R2
CTVout
MOSFET Canal P
Vin
Circuitde
contrôleRchVin
-VDS=Vin-Vout
RDS
CGSgm VGS
S D
VGS
MOSFET Canal P
Vout
G
Vin
THGSDS VVV −<<A. Zone linéaire
B. Autres cas (pincement & « saturé »)
• circuit de contrôle règle VGS (<0!), afin de maintenir Vout
• -> on peut passer d’un mode à l’autre, suivant les conditions d’utilisation.
Régulateurs LDO: modes d’utilisation
LBY – 12/05/2008 – 1.2 11
0
-VGSMax
P0
Mode source de courant
P2 P1 -VGS{2,1,0}
-VGS4
DS-VDS1-VDS2 -VDS
-IDS0
-IDS
-V =-(V -V )in out
Mode résistancevariable
P4
P5
=-VTH
POFF
-VGS5
-VGS3P3
P5
RRéégulateurs LDO: exemples de changement de modes dgulateurs LDO: exemples de changement de modes d’’opopéérationration
Vin
Vout
-VDS
-VTH
Zone d'asservissement
Vin
Vin ,Vout ,-VDS
VinMin-VDS
Zone de blocage
R1
S D
G
C
R2
CTVout
MOSFET Canal P
Vin
Circuitde
contrôleRchVin
-VDS=Vin-Vout
Exemple : Variations de Vin (Vout, Rch=const.)
• variation de P0->P2: pas/peu de changement de VGS (source de courant « idéale »)
• P2->P3: augmentation de nécessaire
• P3 (VG=0V): dim. de Vin entraîne dim. de
• P4->POFF: diminution rapide de Iout et Vout
GSV
GSV
LBY – 12/05/2008 – 1.2 12
RRéégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé
G
S
D
S
RDS VDSVGSCGS
gm VGS
Stabilité fréquentielle « petits signaux »
gm, RDS dépendent du pt. de fonctionnement.
AO à 1 étage -> AV non-négligeable
• Diagr. de pertes -> RESR
• Auto-décharge -> Risol.
• di/dt -> LESL
LBY – 12/05/2008 – 1.2 13
RRéégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé
dans notre cas: gm<0 !Équations
différentielles
( )( ) ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
++++
++
≅
==
DSESR
ESRDSDSESRTGSa
ESRTDSmV
mMOSGSadiff
m
RRRRsCRRsCCsR
RsCRR
RRgA
sGsZsGsGsGsVsVsG
1)(11
1
)()()()()()()()(
21
2
00
LBY – 12/05/2008 – 1.2 14
101 102 103 104 105 106 107
-50
0
50
|G0(f)
| [d
B]
Fonction de transfert G0(f) en boucle ouverte
101 102 103 104 105 106 107-270
-180
-90
0
f [Hz]
arg(
G0(f)
) [D
egré
s]
RESR=20Ω
RESR=20Ω
RESR=2Ω
RESR=2Ω
RESR=10mΩ
RESR=10mΩ101 102 103 104 105 106 107
-80
-60
-40
-20
0
20
40
f [Hz]
|Gom
ega(
f)|
[dB
]
Fonction de transfert Gω
(f) en boucle fermée
RESR=20Ω
RESR=2Ω
RESR=10mΩ
RRéégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé
Boucle ouverte Boucle fermée
• « peaks » de résonnance pour RESR =20Ω et RESR=10mΩ.
• bande passante ~10 kHz
• atténuation env. 40dB/dec.
• marge de phase (pour gain=1)
(min. souhaité env. 45°)
• Marge de gain (pour phase=180°)
(min. souhaité env. 20dB)
LBY – 12/05/2008 – 1.2 15
Ce qu’il faut retenir:
A titre d’exemple, pour un LDO avec MOSFET type P et un ESR de 1Ω, on obtient:
RRéégulateurs LDO: gulateurs LDO: éétude de stabilittude de stabilitéé
Régulateur avec éléments ballast du type « inverseur » peuvent présenter des instabilités.
Ces instabilités dépendent de l’ESR de la capa de sortie.
En termes de fonction de transfert, ces instabilités apparaissent comme fréquences de résonnances
Le fabriquant indique les limites d’utilisation de capacités de filtrage
La réponse à une perturbation étant liée à la fonction de transfert en boucle fermée, le même phénomène apparaît, lorsqu’on analyse le taux de réjection de bruit (ΔVout/ΔVin)
Frequency
1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHzDB(V(C0:2)/0.01)
-50
0
50
LBY – 12/05/2008 – 1.2 16
ParamParamèètres de rtres de réégulateurs (LDO)gulateurs (LDO)
Principaux paramètres à prendre en compte:
• Plage de tension Vin : plage dans les limites de régulation (du LDO).
• Rendement : proche du rapport Vout/Vin.
• Pertes (disspiation) : doivent être inférieurs à la capacité de dissipation du boîtier.
• Réjection de bruit : taux de réjection (en fonction de la fréquence) en rapport avec la bande passante.
• Conditions de stabilité (ESR capa de sortie):
0.1
0.010 50 100 150 200 250
TYPICAL REGIONS OF STABILITYCOMPENSATION SERIES RESISTANCE (CSR)†
vsOUTPUT CURRENT
10
100
IO – Output Current – mA
1
Region of Instability
RSC
–ecnatsise
RseireS
noitasnepmo
C–Ω Region of Instability
CO = 10 μF
0.1
0.010 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
TYPICAL REGIONS OF STABILITYCOMPENSATION SERIES RESISTANCE (CSR)†
vsADDED CERAMIC CAPACITANCE
10
100
Added Ceramic Capacitance – μF
1
0.6 0.7 0.8 0.9 1
RSC
–ecnatsise
RseireS
noitasnepmo
C–Ω
CO = 10 μF
Region of Instability
Region of Instability
Plage pour ESR
LBY – 12/05/2008 – 1.2 17
RRéégulateurs : limitation en sortiegulateurs : limitation en sortie
LIM
Jshunt I
VRVU =⇒= 7.0lim
Première méthode (limitation rectangulaire):
Principe:•
• Quand VBE(Q2) atteint 0.7V -> VBE(Q1) diminue
• Q1 contrôlé par Q2, afin de limiter Iout
outshuntQBE IRV ⋅=2,
• En cas de court-circuit à la sortie : PQ1 = Uin.Ilim !
• R3 protège l’AO en cas de limitation : IR3=UR3max/R3=(Uin-Uout)/R3
• R2 « alimente » Q2 : IQ2max=(Uin-Uout)/(R2+R3)
Remarques:
Uout
Iout
Uout,nom
shunt
j
RV
LBY – 12/05/2008 – 1.2 18
RRéégulateurs : limitation en sortiegulateurs : limitation en sortie
( )outshoutoutshBE IRUIRV ⋅+⋅−⋅= γ2
Deuxième méthode (limitation réentrante):
Principe:• VBE(Q2) dépend de Iout et de Uout.
• Quand VBE(Q2) atteint 0.7V (Uj) -> VBE(Q1) diminue
• Q1 contrôlé par Q2, afin de limiter Iout=f(Uout)
Maille :
avec :
-> donc en limitation (UBE2=Uj):
Mise en équation:
Uout
outU
76
6
RRR+
=γ
( ) outjoutsh UUIR ⋅+=⋅−⋅ γγ lim,1
jV ( ) outshunt IR γ−1
nomoutU ,
outU⋅γ( )[ ]joutshout UIRU −⋅−⋅⋅= lim,11 γγ
LBY – 12/05/2008 – 1.2 19
RRéégulateurs : limitation en sortiegulateurs : limitation en sortie
Exercice :On souhaite réaliser une limitation réentrante pour un régulateur de tension linéaire avec Uin=12V, Uout=8V et Ilim,max=0.1A.1. Calculer la valeur de Rshunt, de manière à respecter VCE,min=2.0V sur Q1.2. Calculer le rapport γ=R6/(R6+R7) (en admettant Uj=0.6V).3. Calculer la puissance dissipée dans Q1 en fonctionnement nominal et en court-circuit.4. Calculer la puissance max. dissipée dans Q1, si la limitation était du type rectangulaire.
LBY – 12/05/2008 – 1.2 20
RRéégulateurs : comparaison limitationsgulateurs : comparaison limitations
Limitation rectangulaire: Limitation « foldback »:
( )jinLIMQ UVIP −⋅=max,
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I [A]
Vou
t [V
] P
Q1
[W]
Caractéristique réentrante de la limitation de courant
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.20
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
I [A]
Vou
t [V
] P
Q1
[W]
Caractéristique rectangulaire de la limitation de courant
( )jinLIMQ UVIP −⋅<max,
LBY – 12/05/2008 – 1.2 21
RRéégulateurs : limitation thermiquegulateurs : limitation thermique
Utilisation de coefficients thermiques :
Principe:• VZ augmente avec température, VBE diminue
• Dès que VBE,Q2 ≥ Uj(T) : Q2 sature
• -> Q1 bloque (VBE,Q2 = 0V)
• -> Q bloque également (IB=0)
CmVZ
TV
°+≅∂∂ 4 C
mVBE
TV
°−≅∂
∂ 2
LBY – 12/05/2008 – 1.2 22
RRééfféérences de rences de tension tension
LBY – 12/05/2008 – 1.2 23
RRééfféérences : diodes rences : diodes zenerzener
Forme la plus simple: diode « zener »
Vcc
ou:
0 1 2V [V]
109876543
z
0
10
20
30
40
50
I [mA]z
Courant de test5mA
Tj = 25°C2.4V
2.7V
3.3V
3.9V
4.7V 6.8V
8.2V
5.6V
Effet d’avalanche
Effet Zener
A: B:
Inconvénients:• VZ augmente avec température
• Sensibilité à ΔI ou ΔVcc
• Tension d’alimentation élevée (>Vz)
ZZ
ZRV
I 1=∂∂
IRV ZZ Δ⋅=Δ ccZ
Z VRRV Δ⋅=Δou
A: B:
LBY – 12/05/2008 – 1.2 24
RRééfféérences : diodes rences : diodes zenerzener
Amélioration de la sensibilité en température
CmVZ
TV
°+≅∂∂ 4
Vcc
CmVZ
TV
°−≅∂∂ 2
Inconvénients:• Compensation ne fonctionne que pour une configuration donnée (Vz et éventl. Iz)
• Sensibilité à ΔI ou ΔVcc
• Tension d’alimentation élevée (>(Vz+2Uj)
Pour Vz=7.5V, T=25°C
LBY – 12/05/2008 – 1.2 25
RRééfféérences : rences : «« burriedburried »» ZenerZener
Zener « haute » Qualité: « burried » Zener
p – SUBSTRAT
n – EPIp + ISO
p + ISO
n + COUCHE ENTERREE
ISOLATION
p– BASE
CATHODE
ANODE
ZONE ACTIVEDE LA ZENER
n + EMETTEUR
Zout VRR
RRRV ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
+=
3
4
21
2 1
Structure SI: Schéma « burried Zener » & AO:
Avantages:• Bonne précision (0.01% à 0.04%)
• Peu sensibles aux variations de température (<10ppm/°C)
• Peu de dérive à long terme (<20ppm/1000hrs)
• Caisson d’isolation -> faible bruit
LBY – 12/05/2008 – 1.2 26
RRééfféérences : principe rences : principe «« bandgapbandgap »»
Cahier des charges:• Référence « bon marché », c.a.d. moins complexe que « burried » zener
• Référence avec tension d’alim. < 5V
• Bonne stabilité en température
Principe « bandgap »:
CmVDiff
TV
°+≅∂
∂2C
mVBE
TV
°−≅∂
∂ 2 +
On démontre:
1.
2.
VVV GREF 2.10 ≅≅
0≅∂
∂T
VREF
pour λ = f(I1/I2,T)
LBY – 12/05/2008 – 1.2 27
RRééfféérences : fonctionnement rences : fonctionnement «« bandgapbandgap »»
Paire de jonctions:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=−=Δ
2
1
2121
ln
lnln
II
qkT
II
IIVVVV
SSTBEBEBE
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
∂Δ∂
2
1
2
1 lnlnII
TV
II
qk
TV TBE
VBE
I
TBE
VV
S eII ⋅=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
SSTBE I
Iq
kTIIVV lnln
TV
TV
TV GBEBE 0−≅∂
∂ (démonstration voir annexe)
LBY – 12/05/2008 – 1.2 28
RRééfféérences : fonctionnement rences : fonctionnement «« bandgapbandgap »»
Compensation en température:
0ln2
10 =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅+−≅
∂Δ∂
+∂
∂=
∂∂
II
TV
TV
TV
TV
TV
TV
TGBE
BEBEREF
λ
λ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅
−≅
2
1
0
lnIIV
VV
T
BEGλ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅⋅+=
Δ⋅+=
2
1lnIIVV
VVV
TBE
BEBEREF
λ
λ
0GREF VV ≅
Variante avec jonctions différentes parcouru par les mêmes courants:
•
• Au lieu de prendre 2 jonctions identiques, on peut également démontrer le principe avec des jonctions ayant 2 surfaces différents -> travail avec IS au lieu de IC
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛⋅=
STBE I
IVV ln ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛⋅=Δ
1
2lnS
STBE I
IVV
LBY – 12/05/2008 – 1.2 29
RRééfféérences : exemple rences : exemple «« bandgapbandgap »» type type «« BrokawBrokaw »»
LBY – 12/05/2008 – 1.2 30
RRééfféérences : exemple rences : exemple «« bandgapbandgap »»
Miroir de courant
LBY – 12/05/2008 – 1.2 31
RRééfféérences : principe XFETrences : principe XFET
Principe:• Similaire au « bandgap » : compensation des dérives en température
• Ici I1=I2• AO maintient Q1 et Q2 en mode « saturés » ou « pincement complet »
• ΔVGS (= ΔVp) obtenu grâce à des symétries différentes entre Q1 et Q2
PTATpREF IRVR
RRV 31
321 +Δ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ++=
0<∂Δ∂
TVP 0>
∂∂
TIPTAT
Avantages:
• Dérive en température < 10ppm/°C
• Dérive à long terme < 1ppm/1000hrs.
• Plage de température (-40°C à +125°C)
LBY – 12/05/2008 – 1.2 32
Principaux paramètres à prendre en compte:
• Erreur initiale : circuit « à chaud » en début de vie (<0.1%)
• Coefficient de température : TC (1-10 ppm/°C).
• Hystéresis thermique : en ppm lors d’un cycle (ex.: 25°C → 50°C → 25°C )
• Bruit: pour une bande 0.1-100 Hz, en μVpp.
• dérive en ppm/1000 hrs.
• temps de stabilisation en us pour atteindre 0.1% de la valeur.
• Régulation en ligne : Vout/Vin en ppm/V
• Régulation en charge : Vout/Ich en ppm/mA
• Spécifités de layout PCB
RRééfféérences de tensionrences de tension
LBY – 12/05/2008 – 1.2 33
R4R3=4R4
I 4I
R1=1k
Q1 Q2
4AE AEI
4I
5I
R2=1.86k
R12=2.97R11
R11
VREF 5V
Vin
TRIM
VTEMP 623mV@25°C
VBE
VBEQ2
TCVTEMP 2.222mV/°CVBE
R2R1
VBE
VZ 1.26V
R9
Principe: comme une « bandgap Brokaw»
RRééfféérences : exemple REF02rences : exemple REF02
CmVBE
TV
°+≅∂Δ∂ 2
ZREF VV ⋅= 97.3
LBY – 12/05/2008 – 1.2 34
Circuit de mesure de T
VDD
VDD
VEE
VB
VinVREF
GND
TRIM
VTEMP
50k
RbP
Rb0
Ra Rc
REF02
Vout
VDD = 15VVEE = -15V
Rb
REFa
cTEMPc
ba
baout V
RRVR
RRRRV −⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ ++= 1
Permet de varier le « gain »en température
RRééfféérences : exemple REF02rences : exemple REF02
LBY – 12/05/2008 – 1.2 35
Variation en température de VBE
Annexe : variation en tempAnnexe : variation en tempéérature de Vrature de VBEBE
VBE
I
TBE
VV
S eII ⋅=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
SSTBE I
Iq
kTIIVV lnln
( )
( ) ( )TIV
TVI
TV
II
qk
IIT
VII
TV
TV
ST
BEST
S
STS
TBE
∂∂
⋅−=−∂∂
⋅+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⋅=
−∂∂
⋅+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
=∂
∂
lnlnln
lnlnln
TG
VV
S eTI0
3 −⋅⋅= κ ( ) ( )
T
GS V
VTI 03lnln −⋅= κ
( ) ( ){ }
T
GG
G
TG
S
VTV
TkqV
T
kTq
TVT
T
VTV
TT
TI
13
31
1lnln
02
0
02
3
0
3
⋅≅⋅
⋅+=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
∂∂
−⋅⋅⋅
=
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
∂∂
−∂
⋅∂=
∂∂
κκ
κ
TV
TV
TV GBEBE 0−≅∂
∂
Energie [eV]
bande de valence
bande de conduction
0GVq ⋅
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