1. Porque é que este regulador está em todo o lado

O AMS1117-3.3 é a resposta predefinida a "Preciso de 3.3 V a partir de 5 V" numa placa pequena. É um regulador de baixa queda de tensão de três terminais num encapsulamento SOT-223, com uma corrente nominal de cerca de 1 A, saída fixa de 3.3 V e sem componentes externos além de dois condensadores.

Essa simplicidade é a razão pela qual surge em routers, placas de desenvolvimento, sensores, adaptadores e controladores industriais. É também a razão pela qual existem tantas segundas fontes: a pinagem é trivial, o circuito de aplicação está publicado e o mercado é enorme.

O senão é que o componente é frequentemente utilizado fora da sua zona de conforto térmico. Um projetista vê "1 A" na folha de dados e uma entrada de 12 V, e assume que vai funcionar. Não vai, e a falha é uma falha térmica lenta em vez de uma avaria imediata.

2. O que realmente importa numa substituição de LDO

A maioria das falhas de substituição vem da terceira e da quarta linhas, não da primeira. Um componente eletricamente compatível pode oscilar com o capacitor errado ou funcionar 20 °C mais quente porque o seu percurso térmico é diferente.

3. As famílias compatíveis ao nível dos pinos

Todos estes utilizam a mesma pegada SOT-223: o pino 1 é massa (ou o pino de ajuste), o pino 2 é a saída, o pino 3 é a entrada e a aba está ligada à saída. É por isso que são mecanicamente intercambiáveis.

Uma exceção importante: componentes como o SPX3819 também são LDO de 3,3 V, mas encontram-se num encapsulamento SOT-23 de cinco pinos com uma pinagem diferente. Não são substitutos para uma placa SOT-223, embora apareçam na mesma categoria.

4. Os cálculos térmicos que decidem tudo

Um regulador linear dissipa a diferença de tensão multiplicada pela corrente: (Vin − Vout) × I. Essa potência tem de sair através do encapsulamento, e o SOT-223 é pequeno.

Aplique agora uma resistência térmica típica do SOT-223. Com cerca de 80 °C/W de junção para ambiente numa área de cobre modesta, uma dissipação de 1.7 W eleva a junção em cerca de 136 °C acima da temperatura ambiente. A 40 °C de ambiente, isso dá 176 °C — muito além do valor máximo nominal.

Mesmo 0.5 W aquece. É por isto que a classificação de "1 A" é enganadora na prática: pressupõe uma grande área de cobre e uma pequena queda de tensão. Para uma conversão de 12 V para 3.3 V, a corrente contínua prática é, na melhor das hipóteses, de algumas centenas de miliamperes e, muitas vezes, inferior dentro de um invólucro.

O dropout é a outra metade da história térmica. À medida que a entrada se aproxima da tensão de saída, o regulador sai da regulação e a saída segue a entrada menos o dropout. Num barramento de 5 V isso raramente é um problema; num barramento de bateria é todo o projeto.

Para uma célula de lítio de 3.7 V, um LDO de 3.3 V a 300 mA precisa de um dropout inferior a 0.4 V, e precisa desse dropout perto do fim da descarga. A maioria dos LDOs de 1 A especifica o dropout à corrente nominal máxima, onde é maior. Verifique a curva à sua corrente real, não o valor de destaque.

Um exemplo prático com área de cobre

Considere um barramento de 5 V para 3.3 V a 0.5 A: a dissipação é de 0.85 W. Com 80 °C/W, a junção sobe 68 °C acima da temperatura ambiente — aceitável com ambiente a 25 °C, marginal a 50 °C dentro de um invólucro.

Adicionar cobre altera rapidamente o número. Uma aba ligada a um polígono de cobre de 25 mm × 25 mm em ambas as camadas, com algumas vias térmicas, pode aproximar a resistência efetiva de 50 °C/W. Os mesmos 0.85 W elevam então a junção em cerca de 43 °C, o que é confortável.

A lição é que a PCB faz parte do regulador. Duas placas que usam o mesmo componente podem diferir em 30 °C apenas devido à área de cobre, e uma substituição que ignore o layout é apenas metade de uma comparação.

Um barramento industrial de 24 V torna o caso óbvio. Mesmo 100 mA de 24 V para 3.3 V dissipam mais de 2 W, que um SOT-223 não consegue dissipar. Todos os projetos deste tipo precisam primeiro de um estágio de comutação, independentemente do LDO utilizado. O LDO passa então a ser um pós-regulador para ruído, e não o conversor principal, e a sua dissipação diminui uma ordem de grandeza.

5. Quando um regulador linear é a resposta errada

Se a entrada for mais de cerca de duas vezes a saída, ou se a carga estiver acima de algumas centenas de miliamperes, um regulador de comutação é a escolha correta. Não é uma substituição — é uma topologia diferente, com um indutor, uma rede de realimentação diferente e um perfil de EMI diferente —, mas é o único projeto que sobrevive aos cálculos térmicos.

Uma arquitetura comum é uma alimentação em dois estágios: um conversor buck de 12 V para 5 V e, depois, um LDO de 5 V para 3.3 V para um barramento analógico de baixo ruído. Isso mantém o LDO na sua zona de conforto térmico e preserva o baixo ruído onde é importante.

Para uma placa que já tem um barramento de 12 V e um LDO de 3.3 V a funcionar quente, a solução mais barata é frequentemente um pequeno módulo buck seguido do LDO existente, e não a procura de um LDO "melhor".

Fixo versus ajustável

A versão fixa de 3.3 V é a escolha mais simples: dois condensadores, sem divisor, sem acumulação de tolerâncias. A versão ajustável substitui o pino de massa por um nó de realimentação e necessita de duas resistências.

Para uma placa que será copiada em várias variantes, o componente ajustável ganha frequentemente em custo total porque uma bobine cobre as versões de 1.2 V, 2.5 V e 3.3 V. A penalização é um nó extra para encaminhar e um divisor que tem de ser recalculado — e a tensão de referência não é idêntica entre famílias.

Uma armadilha subtil: em alguns componentes ajustáveis a referência é 1.25 V, noutros é diferente. Um divisor copiado de um projeto de referência pode produzir um erro de 5–10% se a tensão de referência não for verificada.

6. Onde os componentes compatíveis em pinagem diferem

Queda de tensão.A tensão mínima de entrada à carga máxima difere entre famílias e aumenta com a corrente. Um componente com uma queda de tensão de 1.3 V não consegue regular 3.3 V a partir de uma bateria de 4.2 V perto do fim da descarga.

Corrente de repouso.Alguns LDOs consomem miliamperes sem carga; outros consomem microamperes. Num produto alimentado por bateria que está inativo a maior parte do tempo, essa diferença domina o orçamento de energia.

Requisitos dos condensadores.Os designs antigos de LDO exigem uma ESR mínima e podem oscilar com condensadores cerâmicos modernos. Os componentes mais recentes são estáveis com cerâmicos. Verifique a curva de estabilidade, não apenas o valor da capacitância.

Resistência térmica.O mesmo invólucro pode ter diferentes formas de fixação da pastilha e de construção da armação de terminais. Dois componentes com footprints idênticos podem funcionar com uma diferença de 10–20 °C à mesma dissipação.

Ruído, PSRR e linhas de alimentação analógicas

Para linhas de alimentação digitais, o ruído é irrelevante. Para linhas analógicas, de RF e de sensores, é a especificação que importa. O ruído de saída de um LDO e a sua capacidade de rejeitar a ondulação de entrada (PSRR) determinam se um ADC de 12 bits vê uma referência limpa.

O PSRR diminui com a frequência. Um componente que rejeita 60 dB a 1 kHz pode rejeitar apenas 20 dB a 100 kHz, que é exatamente onde um pré-regulador de comutação coloca a sua ondulação. Se a linha alimentar uma medição de precisão, verifique a curva de PSRR à frequência de comutação do conversor a montante, e não apenas em DC.

O ruído de saída é normalmente especificado em µV RMS numa largura de banda. Compare a largura de banda: um valor indicado para 10 Hz–100 kHz não é comparável com um indicado para 10 Hz–1 MHz.

Seleção de condensadores e estabilidade

A estabilidade de um LDO depende do ESR e da capacitância do condensador de saída. As versões mais antigas exigem um ESR mínimo — tipicamente um tântalo ou um eletrolítico — e podem oscilar com um condensador puramente cerâmico. Os componentes mais recentes são concebidos para cerâmicos e podem exigir, em vez disso, uma capacitância mínima.

Duas regras práticas. Primeiro, leia a curva de estabilidade na ficha técnica, não apenas o valor de condensador recomendado. Segundo, mantenha o condensador de entrada junto ao dispositivo; uma pista de entrada longa acrescenta indutância e pode desestabilizar a malha mesmo quando o lado da saída está correto.

Se uma substituição produzir uma linha de alimentação que parece bem num multímetro mas tiver uma oscilação de baixa frequência, o condensador é o primeiro suspeito. Verifique com um osciloscópio na saída, com acoplamento AC, durante alguns milissegundos.

7. Um plano de testes prático

Funcionamento em paralelo e partilha de corrente

Os reguladores lineares não partilham bem a corrente. Dois AMS1117 em paralelo não repartem uniformemente uma carga de 1.5 A; aquele com a tensão de saída ligeiramente mais alta fica com a maior parte da corrente até a deriva térmica alterar o equilíbrio.

Se for necessária mais corrente, utilize um componente com essa classificação ou um conversor comutado. Adicionar uma pequena resistência de balastro em série com cada saída pode forçar a partilha, mas custa margem de tensão e margem de estabilidade — raramente vale a pena para uma alimentação de 3.3 V.

Corrente inversa e proteção

Se a saída puder ser forçada acima da entrada — por exemplo, quando um barramento a jusante permanece ativo após a remoção da entrada — a corrente pode fluir no sentido inverso através do regulador. Alguns LDO toleram isto; outros não. Verifique a especificação de corrente inversa se a placa tiver várias alimentações.

Um díodo Schottky entre a entrada e a saída protege contra polaridade inversa, mas introduz fuga e uma pequena queda de tensão. Em produtos a bateria, essa fuga pode ser mais problemática do que aquilo que a proteção compensa.

Diferenças de qualidade entre segundas fontes

Neste intervalo de preços, as segundas fontes competem tanto no controlo do processo como no design. Os parâmetros que mais variam são a tolerância da tensão de saída em função da temperatura, o dropout a plena carga e a corrente de repouso.

Para um barramento digital não crítico, essas diferenças raramente importam. Para um barramento que alimenta um sensor ou um rádio, podem importar. Peça as curvas de temperatura em vez dos valores típicos a 25 °C e compare o pior caso.

8. Custo e fornecimento

Estes reguladores custam cêntimos, pelo que as diferenças de preço são pequenas em termos absolutos. As variáveis que importam são a disponibilidade, a embalagem e a rastreabilidade.

As segundas fontes são comuns e normalmente aceitáveis para barramentos não críticos. Para barramentos analógicos ou de RF, mantenha-se com um componente cujo ruído e PSRR tenha caracterizado, porque um regulador mais barato pode degradar uma cadeia de medição sem falhar qualquer teste.

As quantidades por bobina e os códigos de data importam mais do que o preço unitário a este nível. Uma bobina completa de um componente mais barato pode custar mais do que uma bobina parcial do original, e o stock antigo precisa de uma verificação funcional antes de ser utilizado.

Pré-reguladores e módulos

A solução mais prática para um LDO quente é reduzir a tensão aos seus terminais. Um pequeno conversor buck de 12 V para 5 V, seguido do LDO de 3,3 V existente, reduz a dissipação em mais de metade e mantém o rail de alimentação silencioso.

Os módulos buck prontos a usar são aceitáveis para protótipos, mas não para produção: o indutor, os condensadores e o projeto térmico são desconhecidos, e o módulo torna-se um componente de fonte única que ninguém qualificou. Incorpore o pré-regulador na placa assim que a arquitetura estiver definida.

Quando manter o original

Se o rail for silencioso, a margem térmica for pequena ou o produto estiver certificado, o componente mais barato não compensa a requalificação. Nesses casos, mantenha o original e utilize a segunda fonte apenas como seguro, não como uma alteração de produção.

9. FAQ

O LM1117 é um substituto direto do AMS1117-3.3?

Partilham a pegada e a pinagem SOT-223. A queda de tensão, a corrente nominal e os requisitos de condensadores diferem, por isso verifique a carga e o projeto térmico.

Posso obter 1 A a partir de 12 V para 3.3 V com este encapsulamento?

Não. Isso corresponde a cerca de 8.7 W de dissipação, muito além do que um SOT-223 consegue suportar. É necessário um regulador comutado.

Porque é que o meu LDO oscila com condensadores cerâmicos?

Alguns designs de LDO mais antigos exigem uma ESR mínima que os condensadores cerâmicos não fornecem. Escolha um componente especificado como estável com condensadores cerâmicos de saída.

Uma tensão de dropout mais baixa significa sempre melhor?

Normalmente, mas pode implicar uma corrente de repouso mais elevada ou requisitos de estabilidade diferentes. Faça corresponder o parâmetro à aplicação.

Posso substituir um LDO SOT-23-5 numa placa SOT-223?

Não. O encapsulamento e a disposição dos pinos são diferentes. É necessário um adaptador ou um novo layout.

Qual é o limite prático de corrente?

Depende da queda de tensão e da área de cobre. Para um barramento de 5 V para 3,3 V, algumas centenas de miliamperes são típicas antes de os limites térmicos dominarem.

10. Fontes

• Página do produto TI LM1117:ti.com
• Documentação Diodes AZ1117:diodes.com
• Documentação do MaxLinear SPX3819:maxlinear.com