LDO-Schaltungen verstehen: Prinzipien, Design-Tipps & Anwendungen

Entwerfen Sie eine Spannungsregelung für Ihre Leiterplatte? Oder ein benutzerdefiniertes Netzteil? Dann ist die optimale Steuerung der Versorgungsspannung für Ihre Komponenten entscheidend – besonders bei High-Speed-Digital-Systemen. Ob Netzspannung oder Batterie: Eingangsspannung muss auf das optimale Systemniveau geregelt werden. Bei Batteriebetrieb ist ein LDO ideal: Linearregler liefert adäquate Spannung mit niedrigem Dropout von der Eingangsspannung.

Wir beleuchten LDO: Elemente, Funktionsweise, Anwendungen u. v. m.

Was ist LDO?

LDO = Low Dropout (niedriger Differenzspannung). Auch Sättigungs- oder Low-Loss-Linearregler. Arbeitet mit geringem PD (Potentialdifferenz) zwischen Ein- und Ausgangsspannung.

LDO-Regler akzeptiert nur Eingangsspannungen, die wenig über der gewünschten Ausgangsspannung liegen. Es ist ein Abwärts-DC-DC-Wandler mit variabler Eingangsspannung. Dropout-Spannung = minimale Differenz zwischen Ein- und gewünschter Ausgangsspannung.

Trotz geringerer Energieeffizienz: stabiler Betrieb bei ~1 V Dropout. Linearregler liefert verschiedene, stabile Spannungspegel.

Ausgangsspannung unabhängig von Batterieentladung, Temperatur, Leistungsverlust, Lastimpedanz. Beispiel: Li-Ion 2,7–4,2 V (2,7 V = leer, 4,2 V = voll). Fällt Spannung unter 3 V, hält LDO Ausgang bei 2,5 V.

Elemente des LDO-Reglers

Fehlerverstärker (Error Amplifier)

Fehlerverstärker im Schaltbild

Quelle: Wikimedia Commons

Designziel: minimalen Strom ziehen. Warum? Gate-Kapazität des Passtransistors ist groß → Ausgangswiderstand des Verstärkers muss sehr niedrig sein.

Zwei Eingänge: 1. Ausgangsspannung über Spannungsteiler herunterskaliert. 2. Referenzspannung. Vergleich → Anpassung des Passelements-Widerstands.

Passelement (Pass Element)

Passelement im Schaltbild

Quelle: Wikimedia Commons

Fehlerverstärker treibt Passelement im Regelkreis. Passelement leitet Spannung von Eingang zur Last. NMOS & PMOS als Passelemente nutzbar.

Schaltung: V_o(s) mit V_1(s) verbunden. PMOS braucht Mindestspannung für korrekte Regelung (Sättigung). Minimaler Drain-Source-Spannung V_2(s) liefert Mindestspannung. PMOS-Passelement nicht ideal für extrem niedrige Spannungen.

NMOS-Transistor: niedriger Dropout, Ein- & Ausgang. Vorteil: Ausgang am Source des Transistors → Source-Follower-Konfiguration.

Spannungsreferenz (Voltage Reference)

Startpunkt jedes Reglers – setzt Arbeitspunkt des Fehlerverstärkers. Bandgap-Referenz für niedrige Versorgungsspannungen geeignet.

Ausgangskondensator (Output Capacitor)

Leistungsstarker Ausgangskondensator

Quelle: Wikimedia Commons

Bei Lastsprüngen (Load Transients) liefert Ausgangskondensator Strom in die Last – Fehlerverstärker regelt nach.

ESR des Kondensators begrenzt Spannung von Kondensator zur Last. Bei 1 µF mit ESR 10–300 mΩ geeignet:

• Low-ESR Tantal-Kondensatoren
• Keramikkondensatoren
• Polymerelektrolytkondensatoren

Rückführung (Feedback)

Skaliert Ausgangsspannung herunter. Ermöglicht Vergleich Referenz vs. Ausgang über Fehlerverstärker.

LDO-Merkmale

1. Rauscharmes Regelverhalten: stabile Ausgangsspannung unabhängig von Eingangsänderungen → ideal für rauschempfindliche Bauelemente
2. Benötigt externe Bauteile (Widerstände/Kondensatoren)
3. Strombegrenzung schützt vor Überhitzung
4. Ausgangs-Entladeschaltung: schnelle Entladung, Ausgangsspannung nahe IC-GND
5. Thermische Abschaltung: verhindert Zerstörung/Verschlechterung

Wie funktioniert der LDO?

LDO-Spannungsregler-Schaltbild

Hauptkomponenten: Referenzspannungsquelle, Passelement, Fehlerverstärker. Passelement = P-Kanal-FET oder N-Kanal.

Ablauf: Eingangsspannung an Passelement (N-Kanal). Transistor arbeitet im linearen Bereich → senkt Eingangsspannung bis gewünschter Ausgangsspannung. Fehlerverstärker erkennt Ausgangsspannung, vergleicht mit Referenz. Justiert FET-Gate auf korrekten Arbeitspunkt → genaue Ausgangsspannung. Bei Eingangsschwankungen: Fehlerverstärker justiert FET für konstante Ausgangsspannung.

Im stationären Zustand: LDO verhält sich wie einfacher Widerstand. Enable-Pin schaltet Regler ein/aus → Batteriesparen bei Nichtgebrauch.

Wann LDO einsetzen?

1. Weiter Eingangsbereich, aber stabile Ausgangsspannung nötig. Keine PWM-Rückführung justieren (kein Feedback zum Schaltelement).
2. Konstante Ausgangsleistung trotz Eingangsspannungseinbruch.
3. Ausgangsspannung auf Wunschwert reduzieren.

Erweiterte LDO-Schaltungen

Ziel: Benutzerwählbare Referenzspannung → programmierbares Gerät.

LDO leitet HF über Shunt-Kondensator (diagonal zum Ausgang) ab. Designer fokussieren auf Output-Filterung bei Mehrstufenreglern – Eingangsfilterung oft vernachlässigt.

Verbesserung: EMI-Filter hinzufügen → EMC/CISPR-Konformität. Wichtig für höhere Harmonische bei Schaltreglern.

Weitere Aspekte für verbesserte Stromverteilung (analog/digital) ergänzbar.

Wichtige Parameter für LDO-Auswahl

Lastregelung (Load Regulation)

Fähigkeit, Ausgangsspannung unter verschiedenen Lasten stabil zu halten.

Load Regulation = ∆V_out / ∆I_out

Ruheestrom (Quiescent Current)

Stromaufnahme im Ruhezustand (Standby). Tritt nur bei Batteriebetrieb auf.

Einschwingverhalten (Transient Response)

Max. zulässige Ausgangsspannungsänderung bei Laststromsprung. Auch Line-Step-Response. Funktion von:

• Max. Laststrom (I_{out max})
• ESR des Ausgangskondensators
• Ausgangskondensatorwert (C_out)
• Bypass-Kondensator (C_b)

Gleichung: ∆V_{tr, max} = (I_{out, max} / C_out + C_b) ∆t1 + ∆V_ESR

Eingangsregelung (Line Regulation)

Fähigkeit, Ausgangsspannung bei schwankender Eingangsspannung stabil zu halten.

Line Regulation = ∆V_out / ∆V_in

PSRR (Power Supply Rejection Ratio)

Fähigkeit, AC-Anteile (z. B. Rippelspannung) zu unterdrücken.

PSRR (dB) = 20 log (V_{ripple (in)} / V_{ripple (out)})

Anwendungen von LDO-Schaltungen

• Hochwirksame Linearnetzteile
• Computer
• SMPS-Nachregler & DC/DC-Module
• Drahtlose & kabelgebundene Kommunikation
• Kfz-Anwendungen
• Batteriebetriebene Geräte
• VPP-Regelung / PCMCIA VCC
• Industrieanwendungen
• Digital-Core-Versorgung

Fazit

LDO-Schaltungen sind essenziell in der Elektronik: Die meisten Netzteile brauchen Linearegler für die Wunschspannung. Ideal für Projekte mit konstanter Ausgangsleistung trotz Eingangseinbruch.

Schaltbild hilft beim Verständnis der Hauptkomponenten. Gedanken zu LDO-Reglern? Kontaktieren Sie uns für mehr Infos!