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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.

Der 3-A-Linearregler APE 8968MP-HF-3.

Der 3-A-Linearregler APE 8968MP-HF-3.Advanced Power Electronics

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.

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.

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

Hidden Champions
(Bild: Hüthig)

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.

Ralph Waggitt

ist Präsident und CEO der Advanced Power Electronics/USA.

(jj)

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