La discussione su quale sia il regolatore da preferire - a commutazione o lineare - assomiglia alquanto a quella sull'alimentazione: Ca o Cc? La maggior parte delle persone è convinta che la risposta alla domanda su quale sia preferibile sia stata data una volta per tutte, per cui non ha senso discuterne. Il punto di vista tradizionale, largamente diffuso è che i regolatori lineari possono essere semplici ed economici ma anche inefficienti, quindi adatti solo per applicazioni di costo ridotto in cui l'efficienza non è cruciale, i carichi sono leggeri o quando la tensione di uscita desiderata è già prossima alla tensione d'ingresso. In molti casi si impiegano regolatori a commutazione e i loro svantaggi - componenti di supporto aggiuntivi, maggiore complessità e costo più alto - sono stati accettati pur di ottenere un'efficienza superiore. Tuttavia, nuovi sviluppi nella progettazione dei regolatori lineari, unitamente ad altri fattori, stanno mettendo in dubbio lo statu quo e ora è il momento opportuno di riesaminare questo problema.
I progressi della tecnologia
Iniziando dai concetti fondamentali, la resistenza del pass transistor in serie di un regolatore lineare varia in funzione della tensione d'ingresso per creare una tensione di uscita costante. La differenza tra la tensione d'ingresso e l'uscita necessaria viene dissipata sotto forma di calore nel pass transistor. La tensione di uscita del regolatore lineare sarà sempre inferiore alla tensione d'ingresso e la differenza minima tra le due, nota come tensione di dropout, in genere doveva essere pari ad almeno 1,5 V affinché il regolatore lineare rimanesse sempre funzionale; la tensione d'ingresso deve essere sufficientemente alta da assicurare questa differenza minima. Ma i progressi della tecnologia hanno fatto sì che notevoli differenze di tensione non sono più inevitabili, poiché oggi molte schede hanno tensioni di alimentazione molto più basse rispetto al passato: la tensione di alimentazione massima su una scheda oggi potrebbe essere di soli 3,3 V. A causa della presenza di memorie flash, processori, microcontrollori e Asic, i requisiti sulle linee di alimentazione sono probabilmente 1,8 V, 1,2 V o anche meno di 1 V, per cui l'intervallo di tensioni che deve essere regolato è stato ridotto notevolmente. Quindi alcuni progetti adesso potrebbero non avere neanche bisogno di un dispositivo di commutazione, dato che una regolazione efficiente a queste varie tensioni potrebbe essere conseguibile tramite moderni dispositivi lineari.
Uno dei principali motivi di ciò è costituito dalle prestazioni migliorate dei dispositivi utilizzati nei circuiti di oggi. L'elemento più importante di un regolatore lineare è il pass transistor in serie e con la moderna tecnologia del Mosfet, questo transistor può essere un Mosfet molto compatto ed efficiente con resistenza On molto bassa; ciò influisce direttamente sulla tensione di dropout. Per molti anni, i dispositivi con tensione di dropout pari a 1,4 V sono stati considerati regolatori “low-dropout”. I progressi della tecnologia del Mosfet sono stati così drastici che oggi le tensioni di dropout possono essere bassissime, fino ad alcune centinaia di millivolt, anche a correnti di carico notevoli, e ciò permette ai dispositivi di funzionare efficacemente in applicazioni in cui le tensioni d'ingresso e di uscita sono piuttosto vicine tra di loro; in questi casi, gli attuali regolatori lineari possono conseguire efficienza pari a 85% - 87%.
Un regolatore ultra-low dropout
Tra questi regolatori lineari detti “ultra-low dropout” figura l'APE 8968MP-HF-3 Series introdotto recentemente da Advanced Power: un regolatore lineare da 3 A che funziona molto efficacemente in applicazioni in cui la differenza tra le tensioni d'ingresso e di uscita può essere di soli 300 millivolt. Studiato per offrire semplice conversione Cc-Cc del punto di carico in applicazioni a livello di scheda, comprese schede madri e notebook, richiede due tensioni di alimentazione - una per i circuiti di controllo per assicurare una polarizzazione adeguata del Mosfet e l'altra per l'alimentazione principale - e offre un drop-out di appena 0,23 V (valore tipico) a 3 A. È facile dimenticare che i regolatori lineari hanno sempre offerto determinati altri vantaggi rispetto ai regolatori a commutazione in specifiche circostanze. Ad esempio, per carichi leggeri o quando la tensione di uscita richiesta è prossima alla tensione d'ingresso, un regolatore lineare probabilmente dissiperà meno potenza sotto forma di calore rispetto a un regolatore a commutazione. Il rumore è un altro fattore -specialmente in applicazioni con un gran numero di segnali e nel caso di dispositivi medici personali - che sta diventando sempre più importante. I regolatori a commutazione hanno bisogno di filtri per bloccare la frequenza di commutazione, che potrebbe ricadere dovunque nell'intervallo da 300 kHz a 1,5 MHz; questo aumenta il costo e comporta un maggiore ingombro sulla scheda. Poiché un regolatore lineare non commuta, il livello base del rumore è intrinsecamente più basso; ne consegue un numero inferiore di componenti e riduzioni dei costi nonché probabilmente una maggiore affidabilità del dispositivo. E poiché sono dispositivi più semplici e compatti, i regolatori lineari possono ridurre sia l'ingombro sullo scheda sia il suo peso.
Una nuova opportunità
Tutte le decisioni di progetto richiedono compromessi e gli ingegneri devono decidere qual è la soluzione migliore tenendo conto delle prestazioni e del costo del sistema, della sua velocità e delle prospettive di sviluppo. Ovviamente, quando occorre un regolatore boost ossia in salita, il regolatore lineare è escluso poiché può funzionare solo in discesa. In aree quali dispositivi palmari e utilizzo delle batterie, in cui la durata della batteria tra le ricariche e l'efficienza possono rappresentare il fattore più importante, è possibilissimo che un regolatore a commutazione sia la soluzione migliore e l'unica. Ma esistono molte altre applicazioni in cui un'efficienza compresa nell'intervallo 85% - 87% è un valore accettabile, specialmente quando considerata rispetto al notevole aumento del costo per un chip con regolatore a commutazione rispetto a un chip con regolatore lineare. Inoltre, il numero di componenti molto più basso e quindi la maggiore affidabilità ottenibile con un regolatore lineare può essere una considerazione importante. I regolatori lineari non sono adatti a ogni possibile situazione, ma le conseguenza di tutti i progressi illustrati - tensioni di alimentazione più basse, migliori prestazioni dei Mosfet e perfezionamenti apportati sia ai regolatori lineari stessi sia ad altri dispositivi del circuito - fanno sì che gli ingegneri adesso possono di nuovo considerare i regolatori lineari come un'opportunità per la soluzione cercata.
