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 ⋅