Scottato dal Low-Power? Quando il componente a basso consumo ti mette nei guai

Domanda:
In uno dei miei dispositivi ho sostituito un componente con una versione migliore e più recente a più basso assorbimento. Ora non funziona più nulla e la nuova parte si è “bruciata”. Puoi spiegarmi perché?

Risposta:
I regolatori lineari sono dispositivi alquanto semplici e di solito non danno troppi problemi. Detto questo, qualche volta con componenti di questo genere puoi finire nei guai.

Nel mio ruolo di field applications engineer capita che i clienti mi chiedano indicazioni su componenti equivalenti per sostituzione diretta di dispositivi che acquistano da altri produttori.

In molti di questi casi, la decisione di sostituire una parte viene presa dal team di produzione/acquisto del cliente stesso e il progettista del circuito originale può non essere al corrente della sostituzione. Il processo decisionale è alquanto semplice e la parte alternativa, posta a confronto con il dispositivo in via di sostituzione, dovrebbe avere la medesima funzionalità, lo stesso package e un’identica configurazione dei pin, così come specifiche elettriche identiche o superiori. Dopo aver verificato tutte queste condizioni, si forniscono, all’ ingegneria dei componenti, i dati necessari al confronto e il nuovo dispositivo viene aggiunto alla lista delle parti come seconda sorgente. Fatto questo, dovrebbe essere tutto a posto. O quasi, perché, dopo il passaggio al componente alternativo, il prodotto che con il componente originale funzionava tranquillamente ha iniziato a dare problemi sulla linea di produzione. Cos’è andato storto?

Sono stato coinvolto in un caso simile, in cui abbiamo seguito la procedura descritta in precedenza e ottenuto che uno dei nostri transceiver isolati RS-485 venisse designato come dispositivo alternativo nel progetto di un cliente. I prodotti erano compatibili in tutto e per tutto, inoltre il nostro aveva specifiche elettriche migliori. Il cliente aveva proceduto e ne aveva ordinata una grande quantità, non essendovi ragioni per cui qualcosa dovesse andare storto. Tuttavia, in seguito il cliente ci ha comunicato che il nuovo transceiver RS-485 aveva iniziato a dare problemi sulla struttura di test della linea di produzione. Dal momento che nel progetto nient’altro era stato cambiato, era evidente che il malfunzionamento fosse imputabile al dispositivo inserito di recente.

Dopo un’ulteriore ricerca, abbiamo riscontrato che il regolatore lineare che alimentava il lato bus del transceiver non regolava a 5 V come ci aspettavamo, ma saliva a una tensione molto più elevata. È stato necessario rivedere e confrontare attentamente i data sheet del vecchio transceiver e del sostituto, così come le specifiche del regolatore lineare, per capire cosa non andasse per il verso giusto.

“Migliore” è un termine qualitativo, e dipende dal parametro che si sta prendendo in considerazione. Ad esempio, quando si parla di velocità/CMRR/PSRR, più è alto, meglio è. Quando invece si tratta di offset di tensione/deriva, è meglio più basso; non c’è bisogno di grande acume tecnico per comprendere che quando si parla di assorbimento, meno è sempre meglio.

Oppure no? In questo caso particolare, è risultato che non lo era. Il transceiver originale assorbiva (tipicamente) 15 mA sul lato bus in condizione di idle, mentre il nuovo dispositivo solamente 2 mA (massimo). Non c’era da stupirsi che sulla carta sembrasse il migliore. Sfortunatamente, il regolatore lineare non sembrava essere d’accordo e andava fuori uso.

Come dicevo all’inizio di questo articolo, i regolatori lineari sono dispositivi piuttosto semplici che non hanno grosse esigenze. L’unica loro peculiarità è quella di richiedere, per funzionare correttamente, una corrente di carico superiore a un valore minimo. Se questa condizione non è soddisfatta, il dispositivo cessa di regolare correttamente e la tensione d’uscita oltrepassa i limiti. La situazione potrebbe anche peggiorare se la tensione d’ingresso fosse molto più alta di quella desiderata in uscita. Leggete questo interessante articolo per ulteriori dettagli sull’argomento¹.

Molti regolatori lineari moderni hanno un design abbastanza attento a questo aspetto, perciò non presentano il problema. Il discorso invece non vale per alcuni modelli più datati (come quello del progetto del cliente); per questo motivo essi richiedono ulteriori accorgimenti in fase di progetto del sistema. In taluni casi, per gli LDO con tensione d’uscita regolabile, la rete di resistenze di feedback provvede a stabilire la minima corrente di carico. Sfortunatamente, si potrebbe incorrere inavvertitamente in questo problema decidendo di sovradimensionare il valore di queste resistenze, pur mantenendo invariato il rapporto. Si potrebbe creare anche un altro scenario, nel quale il dispositivo alimentato dall’LDO rispecchia i requisiti di carico durante il normale funzionamento, ma non durante la condizione di standby. Tutte queste sono trappole potenziali dalle quali ci si deve guardare, per cui siate certi di aver letto attentamente le specifiche dell’LDO. Se ci fosse la necessità di un valore minimo di corrente di carico, dovrebbe essere in qualche modo indicato. Ecco un paio di esempi:

Figura 1. Esempio di minima corrente di carico indicata su data sheet.

Figura 2. Schema di sinistra: il regolatore che funziona in modo corretto con il vecchio dispositivo (condizione di corrente minima di carico soddisfatta). Schema di destra: il regolatore instabile con il nuovo dispositivo (corrente di carico insufficiente).

Tornando al nostro racconto—una volta compresa la causa principale del problema, porvi rimedio è stato facile. Tutto quello che abbiamo dovuto fare è stato aggiungere una resistenza di carico all’uscita del regolatore, per raggiungere il valore minimo di corrente richiesto. Anche se un altro cliente più irragionevole avrebbe potuto criticare il nostro componente, in questo caso particolare è stato invece percepito l’aspetto divertente della vicenda e apprezzato l’insegnamento tecnico che ne è derivato.

Figura 3. Il problema risolto dopo l’aggiunta di una resistenza di carico per raggiungere l’assorbimento minimo richiesto.

È finito tutto come in una fiaba—una sola goccia di sangue è stata versata, ma alla fine vissero tutti felici e contenti.

Riferimenti: Luca Vassalli. “Minimum Load Current Operation—Zero-Load Operation.” Analog Dialogue, Vol. 48, Settembre 2014

Abhinay Patil ([email protected]) è in Analog Devices India dal 2003 e attualmente lavora come field applications manager per i Key Account, nella sede di Bangalore. È laureato in elettronica e comunicazioni.