
Auf einen Blick
Linearregler sind sicher nicht für jedes denkbare Szenario die passende Lösung, doch angesichts der Fortschritte – niedrigere Betriebsspannungen, MOSFETs mit kleineren On-Widerständen sowie Verbesserungen an Linearreglern selbst und an anderen Bauteilen in der Schaltung – sollten Entwickler das Thema neu angehen und Linearregler als Alternative zu Schaltreglern in Betracht ziehen.
Die meisten Leute halten die Frage, ob Schaltregler oder Linearregler die bessere Lösung sind, für längst geklärt – so wie die Diskussion um Wechsel- oder Gleichstromnetze längst beendet ist. Nach herkömmlicher Sichtweise sind Linearregler einfach und kostengünstig, dafür aber auch ineffizient; sie eignen sich daher nur für kostensensitive Anwendungen, in denen Energieeffizienz von untergeordneter Bedeutung ist, nur kleine Lasten zu speisen sind oder die gewünschte Ausgangsspannung nur knapp unter der Eingangsspannung liegt.
Der Linearregler
Die grundlegende Funktionsweise eines Linearreglers ist ganz einfach: Zwischen Spannungsquelle und Last liegt ein variabler Serienwiderstand in Form eines Transistors. Dieser Widerstand wird in Abhängigkeit vom Laststrom so geregelt, dass sich eine konstante Ausgangsspannung ergibt. In dem Transistor entsteht eine zum Laststrom und zur Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung proportionale Verlustleistung, die in Form von Wärme verloren geht. Die Ausgangsspannung eines Linearreglers ist grundsätzlich niedriger als die Eingangsspannung, und eine wirksame Regelung ist nur möglich, wenn die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang einen gewissen Mindestwert, der als Dropout-Spannung bezeichnet wird, nicht unterschreitet. In der Vergangenheit lag diese Dropout-Spannung bei etwa 1,5 V. Die Eingangsspannung muss so groß sein, dass diese Mindest-Spannungsdifferenz aufrechterhalten wird.
Die Technik hat sich jedoch im Laufe der Jahre weiterentwickelt. Heute sind große Spannungsdifferenzen zwischen Spannungsquelle und Last eher die Ausnahme als die Regel. Viele Boards arbeiten heute mit wesentlich kleineren Betriebsspannungen, als in der Vergangenheit üblich waren. Nicht selten beträgt die höchste Betriebsspannung auf einem Board nur noch 3,3 V. Viele Flash-Speicherbausteine, Prozessoren, Mikrocontroller und ASICs arbeiten heute mit Spannungen von nur 1,8 V, 1,2 V oder sogar weniger als 1 V. Dadurch ist der Spannungsbereich, über den geregelt werden muss, deutlich kleiner geworden. Einige Designs kommen heute sogar völlig ohne Schaltregler aus, weil moderne Linearregler auf diesen Spannungsniveaus eine effiziente Regelung ermöglichen.
Dies ist hauptsächlich auf verbesserte Bauteiltechnologien zurückzuführen. Die für die Energieeffizienz entscheidende Komponente eines Linearreglers ist der Serientransistor. Moderne MOSFET-Technologie ermöglicht hocheffiziente, äußerst kompakte MOSFETs mit sehr kleinem On-Widerstand. Das wirkt sich unmittelbar auf die Dropout-Spannung aus. Viele Jahre lang galten Linearregler mit 1,4 V Dropout-Spannung als Low-Dropout-Regler (LDOs). Drastisch verbesserte MOSFET-Technologie ermöglicht heute Dropout-Spannungen von wenigen Hundert Millivolt, auch bei hohen Lastströmen. Diese Regler sind eine effiziente Lösung für Anwendungen, bei denen die Ausgangsspannung nur wenig unter der Eingangsspannung liegt. In diesen Fällen können moderne Linearregler Wirkungsgrade von 85 Prozent bis 87 Prozent erreichen.
Dropout-Spannung nur 0,23 V bei 3 A

Beschaltung des 3-A-Linearreglers APE 8968MP-HF-3 mit einem Ausgangskondensator, der einen Serienwiderstand (ESR) von mehr als 20 mOhm hat.Advanced Power Electronics
Zu diesen sogenannten „Ultra-Low-Dropout“-Linearreglern zählt der kürzlich vorgestellte APE 8968MP-HF-3 von Advanced Power Electronics – ein 3-A-Linearregler, der in Anwendungen mit einer Eingangs-/Ausgangsspannungsdifferenz von nur 300 mV hocheffizient arbeitet. Der Regler ist für einfache, board-interne Point-of-Load-(POL)-DC/DC-Wandler-Anwendungen, beispielsweise Motherboard- und Notebook-Anwendungen, vorgesehen und benötigt zwei Betriebsspannungen – eine Hauptbetriebsspannung und eine weitere zur Ansteuerung des MOSFET-Gates. Die typische Dropout-Spannung dieses Reglers beträgt nur 0,23 V bei 3 A.
Man übersieht leicht, dass Linearregler seit jeher in bestimmten Situationen gewisse Vorteile gegenüber Schaltreglern aufweisen. Beispielsweise ist die in Wärme umgesetzte Verlustleistung eines Linearreglers bei geringer Last oder kleiner Eingangs-/Ausgangsspannungsdifferenz in vielen Fällen geringer als die eines Schaltreglers. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Rauschen; das gilt insbesondere für signalverarbeitende Anwendungen und in zunehmendem Maße für persönliche medizinische Geräte. Schaltregler benötigen Filterbauteile zur Unterdrückung der Schaltfrequenz, die vielleicht irgendwo zwischen 300 kHz und 1,5 MHz liegt. Diese Bauteile verursachen Mehrkosten und beanspruchen Platz auf der Leiterplatte. Weil Linearregler nicht schalten, rauschen sie deutlich weniger. Das spart Bauteile und Kosten, außerdem erhöht sich dadurch die Zuverlässigkeit. Außerdem sind Linearregler einfachere und kleinere Bauteile, sie sparen dadurch Leiterplattenfläche und Gewicht ein.
Jede Design-Entscheidung ein Kompromiss

Der 3-A-Linearregler APE 8968MP-HF-3 beschaltet mit einem MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor) als Ausgangskondensator.Advanced Power Electronics
In der Praxis müssen sich Entwickler für eine Lösung entscheiden, mit der sie innerhalb der vorgegebenen Entwicklungszeit und innerhalb des vorgegebenen Kostenrahmens die geforderte Systemleistung und Arbeitsgeschwindigkeit erzielen. Für Anwendungen, die eine Aufwärtsregelung erfordern, kommen Linearregler natürlich nicht in Frage, da sie nur abwärtsregeln können. In batteriebetriebenen Anwendungen und bei Handheld-Geräten, bei denen die Akkulaufzeit und der Wirkungsgrad oberste Priorität haben, kann ein Schaltregler durchaus die optimale und „einzig richtige“ Lösung sein. Es gibt jedoch viele andere Anwendungen, bei denen ein Wirkungsgrad in der Größenordnung von 85 Prozent bis 87 Prozent völlig ausreichend ist, insbesondere mit Hinblick auf die beträchtlichen Mehrkosten eines Schaltreglers. Auch die wesentlich geringere Bauteilanzahl und entsprechend höhere Zuverlässigkeit einer Linearregler-Lösung können wichtige Aspekte sein.
Themenreihe: Hidden Champions der Elektronik

In unserer Themenreihe Hidden Champions der Elektronik widmen wir uns den Komponenten, die selten im Rampenlicht stehen. Denn die Stars einer Platine können ohne die Hidden Champions an der Peripherie nicht funktionieren. Passive Bauelemente, Kühlkörper, Kabel, Stecker, einfachere Logik-ICs etc. werden immer wieder gern übersehen oder gelten als „langweilig“, sind aber essenziell wichtig. Genau um solche Hidden Champions geht es hier.
- Teil 1: Metallische Dünnschichtwiderstände
- Teil 2: RTC-Module
- Teil 3: PhotoMOS-Relais
- Teil 4: Gedrehte Kontaktbuchsen
- Teil 5: Stromkompensierte Drosseln
- Teil 6: Strangkühlkörper
- Teil 7: Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren
- Teil 8: Oberflächenmontierbare TVS-Dioden
- Teil 9: Zwischenkreis-Kondensatoren
- Teil 10: Optokoppler zur Stromkreistrennung
- Teil 11: Dickschicht-Shunt-Widerstände
- Teil 12: Mini-Absolutdrucksensoren
- Teil 13: Käfigzugfeder-Rundsteckverbinder
- Teil 14: Snap-In-Superkondensatoren
- Teil 15: Synchrone DC/DC-Abwärtswandler
- Teil 16: FCCs und Stecker für den Weltraum
- Teil 17: Zementbeschichtete Widerstände
Ralph Waggitt
(jj)
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