techff

  • 1116 主题
  • 1149 帖子
  • 2454 积分
  • 身份:LV5 资深技术员
  • 论坛新秀 灌水之王
  • E币:674

使用LDO设计可穿戴设备电源

2020-9-15 10:19:26 显示全部楼层
利用可调低泄漏 LDO 延长可穿戴设计的电池续航时间                         
作者:Steven Keeping        /Digi-Key

开关稳压器以高效率著称,是可穿戴设备电源设计的常见选择,有助于延长电池续航时间。但是,这种稳压器可能产生电噪声,设计导入复杂,占用大量空间,而且相对昂贵。
相比之下,线性稳压器可提供无纹波输出,并且简单、紧凑、便宜。然而,在宽负载范围内,其效率通常不如开关稳压器,这会影响电池续航时间。不过,通过采用低压差 (LDO) 线性稳压器(通常简称为“LDO”),并优化器件输出以确保其在最高效率区间内工作,工程师便可以使之实现接近开关稳压器的整体效率。
但是,仍有一个重要问题需要解决:为了节省电池电量,可穿戴设备许多时候处于低功耗待机模式;即便在这些模式下,LDO 也会消耗可观的内部电流。这样电流消耗虽小,却仍会缩短最终产品的电池续航时间。
新一代 LDO 解决方案解决了这个问题。使用这些器件,当可穿戴设备处于低功耗模式时,工程师可以调节输出电流和压差,以最大程度地减少内部功耗。
本文首先介绍如何选择 LDO 来为可穿戴设备供电,然后说明如何使用新一代 LDO 来使之效率最大化,同时不影响用户体验。

选择 LDO 还是开关稳压器?

在可穿戴设备电源设计过程中,稳压器的选择是一项关键决策。工程师需决定是选择开关稳压器还是 LDO。两种稳压器都有其优缺点,这让工程师难以决定在特定应用中选择哪种;请参见了解线性稳压器利弊
可穿戴设备给设计带来了许多挑战,使得选择过程变得越发困难:
  • 需要使用微型电池来帮助实现紧凑设计
  • 要求长电池续航时间
  • 需要稳定电源来为功率敏感电子器件供电
  • 能从休眠状态迅速唤醒以增强用户体验
高效率开关稳压器可以满足电池续航时间的需求,但它有一个重大缺点,那就是稳压器的高频率操作会引起较高水平的电磁干扰 (EMI),这可能会影响可穿戴设备的敏感微控制器和收发器。
采用开关稳压器进行电压转换,并串联一个 LDO,以最大程度地减少器件输出的电压和电流纹波,可以解决此问题。但是,这种拓扑结构会增加复杂性、成本和电源尺寸。
另一种办法是使用 LDO 来提供稳定的电压;并通过选择内部功耗较低的器件,以及最小化稳压器的输入输出电压差,从而最大程度地提高效率。

计算 LDO 效率
LDO 的效率取决于其接地电流 (IGND) 和输入输出电压(VIN 和 VOUT)。效率计算公式如下:
效率 = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%
IGND 是让 LDO 内部电路工作所需的电流(其为输入电流和输出电流之差),其中一个关键部分是 LDO 的静态电流 (IQ)。静态电流是当外部负载电流接近零时,为 LDO 内部电路供电所需的电流。它包括误差放大器、输出分压器以及过流和温度检测等电路的工作电流。
由于对效率有影响,IGND 和 IQ 成了 LDO 规格书上的关键规格。例如,一款适合为可穿戴设备供电的产品,例如 Microchip 的 MCP1811BT-028/OT LDO,其 IGND = 180 微安 (µA)(IOUT = 300 毫安 (mA) 时)且 IQ = 250 纳安 (nA)。随着 IOUT 升高,IQ(并因此包括 IGND)也会升高。STMicroelectronics 的 LDL112 就很清楚地表现出这种关系(图 1)。
图 1:此曲线图清楚显示了 STMicroelectronics LDL112 LDO 的负载电流与静态电流之间的关系。(图片来源:STMicroelectronics)
对于一款满足可穿戴设备(记录和传输数据)典型负载(例如几百毫安)的 LDO,IGND 与 IOUT 相比微不足道,因此决定效率的关键因素在于输入输出电压差。
例如,VIN 为 5 V 且 VOUT 为 3.3 V 时,LDO 的效率为 66%。但是,当电源电压降至 3.6 V 时,效率上升至 91.7%。LDO 的功耗计算方法为:P = (VIN - VOUT) x IOUT。
然而,由于存在一个阈值,低于该阈值时器件将无法正确调节输出电压,因此目前只能通过减小输入输出电压差来提高 LDO 效率。这一最小阈值称为压差 (VDROPOUT)。对于 STMicroelectronics LDL112 之类的现代器件,VDROPOUT 测量值为 350 mV(3.3 V、1 A 输出时)。
设计人员应注意,VDROPOUT 是 LDO 无法再调节供电电压的临界点。为了达到其最高规格,LDO 通常需要额外的“净空电压”,一般是在 VDROPOUT 之上再增加 250 至 500 mV,但某些 LDO 可能需要增加多达 1.5 V。确定输入输出电压差时,必须考虑 VDROPOUT 和净空电压。
有关在电池供电型设备设计中导入 LDO 的更多信息,请参见利用高级 LDO 应对物联网无线传感器电源设计挑战

优化 LDO 性能
如上文所示,对于功耗受限的设计,尽量减少 LDO 两端的电压差是良好的工程实践,因为所节省的功率可以显著延长电池续航时间。但是,当功率预算严重受限时,还有很多事情要做。
需要考虑的其中一个方面是可穿戴设备处于低功耗或“休眠”模式时(例如,设备未使用微控制器、收发器或 GPS 功能时)消耗的电力。尽管最终产品在此模式下的电流消耗会较低,但 LDO 必须保持活动状态,以便在用户按下操作按钮或激活触摸屏时,设备能以尽量短的延迟时间唤醒。
当可穿戴设备处于休眠状态时,IOUT 很小。因此,IGND 对效率的影响要比正常工作期间大。由于器件的负载很小,实际功耗并不大;但是,这种消耗是连续且长时间的过程,会对电池续航时间产生重大影响。优良的设计实践是选择一个既符合规格,又能提供最低内部电流消耗的 LDO,以在 IOUT 较低时将损耗降至最小。
不过,令人欣慰的是,大多数现代 LDO 提供了通过拉低选定引脚将器件置于关断模式的选项。其结果是器件与负载完全断开,从而有效地将 IOUT 限制到仅为 IGND。
例如,Microchip 的 MCP1811A 具有一个关断(“SHDN”)输入,用于关闭和开启 LDO 输出电压(图 2)。该器件的输入电压范围为 1.8 V 至 5.5 V,提供从 1 V 到 4 V 的九种固定输出选择。该 LDO 的 VDROPOUT 为 400 mV,最大输出电流为 150 mA,IQ 为 250 nA 且 IGND 为 80 µA(IOUT = 150 mA、VIN = 5 V、VOUT = 4 V 时)。
图 2:Microchip 的 MCP1811A 具有关断模式。对 SHDN 引脚变为高电平并提供稳定电压的响应时间为 600 µs 至 1400 µs 不等。(图片来源:Microchip Technology)
当 SHDN 输入为高电平时(至少 70% 的 VIN),LDO 输出电压启动,器件供应稳定电压。当 SHDN 输入为低电平时(至多 20% 的 VIN),稳压电源切断,LDO 进入低电流关断状态,此时 IQ 典型值为 10 nA,IGND 约为 2 µA。
能将 MCP1181A 置于关断模式的好处是显著节约功率,但缺点是启动时间会影响系统响应。为了确保 LDO 不会因 SHDN 引脚上的系统噪声尖峰而接通并浪费电池电量,关断电路有 400 微秒 (μs) 的延迟,SHDN 输入出现上升沿并经过该延迟时间后,稳压器才开启。从运行角度看,这是一个好主意,但会影响系统响应。经过预设延迟时间后,如果 SHDN 输入保持高电平,则伴随着输出从 0 V 升至最终稳压值,稳压器将开始对负载电容器充电。因此,从 SHDN 输入导通到输出提供稳定电压的总时间为内置 400 μs 延迟时间与输出电压上升时间之和。该上升时间取决于 VOUT,变化范围为 200 µs 至 1000 μs。
同样,ON Semiconductor 的 NCP171 双模式 XDFN4 封装 LDO 可通过拉低 ENA 引脚(小于 0.4 V)而进入关断模式。该 LDO 有 0.6 V 至 3.3 V 的固定输出电压范围,输入范围为 1.7 V 至 5.5 V,VDROPOUT 为 110 mV。不过,NCP171 提供了一种更复杂的系统来延长电池续航时间;当从低功耗模式切换到正常运行所需的稳压输出时,它能帮助改善响应。
在活动模式下,该 LDO 能够提供最高 80 mA 的电流,但当使用低功耗模式时,LDO 的调节输出电压,而是将 IOUT 限制为最大 5 mA。由于使用 LDO 的另一部分进行调节,因此 IGND 大大降低,电池续航时间得以延长。可通过 LDO 的 ECO 引脚选择低功耗(和活动)模式(图 3)。
图 3:ON Semiconductor 的 NCP171 可通过 ECO 引脚从活动模式切换到低功耗模式。在低功耗模式下,IOUT 最大值为 5 mA,同时 IGND 显著降低。(图片来源:ON Semiconductor)
将 ECO 引脚拉低(接地)时,LDO 切换到低功耗模式。IQ 从 55 µA 降至 50 nA。对 IGND 的影响同样显著:在活动模式下,IGND = 420 µA (IOUT = 80 mA);相比之下,在低功耗模式下,IGND = 2.5 µA (IOUT = 5 mA)。低功耗模式下的功耗仅略高于器件处于关断模式时的功耗。按 50、100、150 或 200 毫伏等内部编程的偏移值降低活动模式标称输出电压,可以进一步降低低功耗模式下的功耗。
低功耗模式的主要优点在于对正常稳压需求的响应时间。当 ECO 引脚被拉高(等于 VOUT)时,器件切换到活动模式,并在不到 100 µs 的时间内将 NCP171 LDO 恢复至稳压状态,最大 IOUT 高达 80 mA(图 4)。
图 4:将 NCP171 从低功耗模式切换到活动模式时,可在不到 100 µs 的时间内恢复稳定电压。(图片来源:ON Semiconductor)
启动时,无论 ECO 引脚为何状态,NCP171 均默认进入活动模式,因此它能快速达到并稳定在目标输出电压。这种强制活动模式的持续时间通常为 35 毫秒 (ms),可确保输出电容器快速充电以及 IOUT 快速上升,从而满足负载需求。
在低功耗模式下运行有一些缺点:电源抑制比(PSRR,衡量 LDO 抑制输入电压尖峰的能力)较低,并且电气噪声略有增加(图 5)。
图 5:NCP171 在低功耗模式下的 PSRR 一般比在活动模式下要低。(图片来源:ON Semiconductor)
NCP171 LDO 随附 STR-NCP171-EVK 评估套件 (EVK)。EVK 可与 ON Semiconductor 在 PC 上运行的 Strata Developer Studio 集成开发环境 (IDE) 配合使用。EVK 通过 USB 电缆连接到 IDE,然后便可用来试验 LDO 的功能——例如,启用/禁用 LDO 以及在活动模式和低功耗模式之间切换。
EVK 和 IDE 还允许工程师配置和监视 LDO 的其他工作参数,包括输入和输出电压、功耗以及器件温度。

总结
精心选择 LDO 可简化可穿戴设备的电源设计,同时确保电压和电流稳定。通过选择接地电流较低的 LDO 并使其输入输出电压差最小化,设计人员可以实现接近开关稳压器的效率。
选择新一代 LDO 可进一步延长可穿戴设备的电池续航时间;此类器件的运行模式可通过专用引脚进行选择,旨在限制可穿戴设备长时间处于休眠模式时的功耗。芯片供应商通常会为 LDO 提供配套评估工具,让设计人员能够以最佳设置对器件进行试验,从而最大限度地延长电池续航时间。
您需要登录后才可以评论 登录 | 立即注册

最新评论

楼层直达:
快速回复
0
7
广告
关闭 热点推荐上一条 /5 下一条
快速回复 返回列表