Brug justerbare LDO'er med lav lækstrøm til at forlænge batterilevetid i design af wearables

Switch-spændingsregulatorer har et ry for høj effektivitet, hvilket gør dem til et populært valg inden for strømforsyningsdesign af wearables for at forlænge batteriets levetid. Men sådanne regulatorer kan være elektrisk støjende, er komplekse at designe i, er meget pladskrævende og relativt dyre.

Til sammenligning leverer lineære regulatorer et rippelfrit output og er enkle, kompakte og billige. Men på tværs af et bredt belastningsområde er de typisk mindre effektive end switch-regulatorer, hvilket påvirker batteriets levetid. Men ved at anvende en lineær regulator med lavt dropout (ofte kaldet "LDO") og optimere enhedens output for at sikre, at den fungerer i det mest effektive område, kan ingeniører komme tæt på at matche den overordnede effektivitet i en switch-regulator.

Der er dog stadig et centralt problem: Wearables er designet til at bruge meget tid i standbytilstande med lavt strømforbrug for at bevare batteriets levetid. Selv i disse tilstande er der et mærkbar internt strømtræk fra LDO'en. Selvom det er lille, forkorter dette strømtræk slutproduktets batterilevetid.

En ny generation af LDO-løsninger tager hånd om problemet. Ved hjælp af disse enheder kan ingeniører justere udgangsstrøm og dropout-spænding for at minimere internt effekttab, når wearablen er i en energibesparende tilstand.

Denne artikel viser, hvordan du vælger en LDO til at drive en wearable. Den forklarer derefter, hvordan en ny generation af LDO'er kan bruges til at maksimere effektiviteten uden at gå på kompromis med brugeroplevelsen.

LDO eller switch-regulator?

En vigtig beslutning i designprocessen til en wearables strømforsyning er valget af regulator. Ingeniøren står over for valget mellem en switch-regulator og en LDO. De har hver især fordele og ulemper, som kan gøre det vanskeligt at beslutte, hvilken af dem der skal bruges til en bestemt anvendelse. Se Understanding the Advantages and Disadvantages of Linear Regulators (på engelsk).

Wearables skaber en række designudfordringer, der gør udvælgelsesprocessen endnu sværere:

• Brug af små batterier af hensyn til kompakt design
• Et krav om lang batterilevetid
• Behovet for en stabil strømforsyning til følsom elektronik
• Hurtig aktivering fra dvaletilstand for at forbedre brugeroplevelsen

En effektiv switch-regulator kan imødekomme behovet for batterilevetid, men en større ulempe er det relativt høje niveau af elektromagnetisk interferens (EMI), der er forårsaget af regulatorens højfrekvente drift, som kan forstyrre wearablens følsomme mikrocontroller og transceiver.

Dette problem kan løses ved at anvende en switch-regulator til konvertering af spænding og tilføje en LDO serielt for at minimere spændings- og strømripplen på enhedens output. En sådan topologi tilføjer imidlertid kompleksitet og omkostninger og øger strømforsyningens størrelse.

En alternativ tilgang er at bruge en LDO til en stabil spændingsforsyning og maksimere effektiviteten ved at vælge en enhed med lavt internt effekttab og ved at minimere forskellen mellem regulatorens indgangs- og udgangsspændinger.

Beregning af LDO-effektivitet

Effektiviteten af en LDO bestemmes af dens jordstrøm (I_GND) og indgangs- og udgangsspændinger (V_IN og V_OUT). Formlen til beregning af effektivitet er:

Effektivitet = I_OUT/(I_OUT + I_GND) × V_OUT/V_IN × 100 %

I_GND er den strøm, der kræves for at drive LDO'ens interne kredsløb (hvilket er forskellen mellem indgangs- og udgangsstrøm). En vigtig del af dette er LDO'ens hvilestrøm (I_Q), som er den strøm, der kræves for at forsyne LDO'ens interne kredsløb, når den eksterne belastningsstrøm er tæt på nul. Det omfatter f.eks. fejlforstærkerens udløsestrøm, udgangsspændingsdeler og overspændingskredsløb samt temperaturregistrerende kredsløb.

På grund af deres indvirkning på effektiviteten er I_GND og I_Q nøglespecifikationer på en LDO's datablad. For eksempel har et produkt, der egner sig til at strømforsyne en wearable, f.eks. Microchips MCP1811BT-028/OT LDO, tal på I_GND = 180 mikroampere (µA) (ved I_OUT = 300 milliampere (mA)) og I_Q = 250 nanoampere (nA). I_Q (og derfor I_GND) stiger, når I_OUT forøges. Dette forhold ses tydeligt, når det vedrører STMicroelectronics' LDL112 (figur 1).

Figur 1: Denne graf viser tydeligt forholdet mellem belastningsstrøm og hvilestrøm for STMicroelectronics' LDL112 LDO. (Billedkilde: STMicroelectronics)

For en LDO, der tager de belastninger, som er typiske for en wearable, der registrerer og transmitterer data (f.eks. flere hundrede milliampere), er I_GND relativt ubetydelig sammenlignet med I_OUT, så den afgørende faktor, der bestemmer effektiviteten, bliver spændingsforskellen mellem input og output.

For eksempel er en LDO's effektivitet med V_IN på 5 volt og V_OUT på 3,3 volt 66 %. Men det stiger til så meget som 91,7 %, når forsyningen reduceres til 3,6 volt. LDO'ens strømforbrug kan beregnes fra P = (V_IN - V_OUT) x I_OUT.

Det er dog kun muligt at minimere forskellen mellem indgangs- og udgangsspændingen for at øge LDO-effektivitet til en vis grad, da der er en tærskel, under hvilken enheden ikke regulerer udgangsspændingen korrekt. Denne minimumstærskel er kendt som dropout-spændingen (V_DROPOUT). For en moderne enhed som f.eks. STMicroelectronics' LDL112 måler V_DROPOUT 350 millivolt (ved 3,3 volt, 1 ampere output).

Designeren bør bemærke, at V_DROPOUT er det punkt, hvor LDO ikke længere er i stand til at regulere forsyningsspændingen. For at opfylde den fulde specifikation kræver LDO'en typisk en ekstra "headroom-spænding", som typisk lægger yderligere 250 til 500 mV til V_DROPOUT, men det kan være op til 1,5 volt for nogle LDO'ers vedkommende. V_DROPOUT og headroom-spændingen skal tages i betragtning ved bestemmelse af forskellen mellem indgangs- og udgangsspændingerne.

Flere oplysninger om at designe i en LDO til batteridrevne enheder findes i Use Advanced LDOs to Meet IoT Wireless Sensor Power Supply Design Challenges (på engelsk).

Optimering af LDO-ydeevne

Som vist ovenfor er det god teknisk praksis at minimere spændingsforskellen over LDO'en for et strømbegrænset design, da de resulterende strømbesparelser kan forlænge batteriets levetid dramatisk. Men der er mere, der kan gøres, når strømbudgettet er stærkt begrænset.

Et område, der kræver overvejelse, er det strømtab, der opstår, når en wearable er i en tilstand med lavt strømforbrug eller "dvaletilstand", f.eks. når enheden ikke bruger mikrocontrolleren, transceiveren eller GPS-funktionen. Selvom slutproduktets strømforbrug vil være lavt i denne tilstand, skal LDO'en være aktiv for at minimere ventetid, hvis en bruger trykker på en knap eller aktiverer en berøringsskærm.

Når wearablen er i dvaletilstand, er I_OUT lille. Derfor har I_GND større indvirkning på effektiviteten end i normal drift. Da belastningen på enheden er lav, er det faktiske strømforbrug ikke stort. Ikke desto mindre er det kontinuerligt og vil over en længere periode have en stor indflydelse på batteriets levetid. Det er god designpraksis at vælge en LDO, der opfylder specifikationen og samtidig giver det laveste interne strømdræn for at minimere tab, når I_OUT er lav.

Men endnu bedre så har de fleste moderne LDO'er mulighed for at sætte enheden i en nedlukningstilstand ved at trække et valgt pin lavt. Resultatet er at frakoble enheden helt fra belastningen, hvilket effektivt begrænser I_OUT til blot I_GND.

For eksempel indeholder Microchips MCP1811A et nedlukningsinput ("SHDN"), der bruges til at slå LDO-udgangsspændingen fra og til (figur 2). Enheden fungerer fra et input på 1,8 til 5,5 volt og har mulighed for ni faste output på tværs af et område fra 1 til 4 volt. LDO'en har en V_DROPOUT på 400 mV, giver et maksimalt output på op til 150 mA og har en I_Q på 250 nA og en I_GND på 80 µA (ved I_OUT = 150 mA, V_IN = 5 volt, V_OUT = 4 volt).

Figur 2: Microchips MCP1811A med en nedlukningstilstand. Svartiden til SHDN-pin, der går højt, og leveringen af den regulerede spænding varierer mellem 600 og 1400 μs. (Billedkilde: Microchip Technology)

Når SHDN-inputtet er højt (mindst 70 % af V_IN), er LDO-udgangsspændingen aktiveret, og enheden leverer den regulerede spænding. Når SHDN-inputtet trækkes lavt (maks. 20 % af V_IN), slås den regulerede spændingsforsyning fra, og LDO'en går i en lav strømnedlukningstilstand, hvor den typiske I_Q er 10 nA, og I_GND er omkring 2 μA.

Fordelen ved at kunne sætte MCP1181A i en nedlukningstilstand er den indlysende strømbesparelse, men ulempen er den effekt, starttiden har på systemets reaktion. For at sikre, at LDO'en ikke tændes pga. systemstøjspidser på SHDN-pin og spilder batteristrøm, har nedlukningskredsløbet en 400 mikrosekunders (μs) forsinkelse på SHDN-inputtets stigende kant, inden regulatoren kobles til. Det er en god idé fra et driftsperspektiv, men det påvirker reaktionen. Hvis SHDN-inputtet efter den forudindstillede forsinkelse forbliver højt, starter regulatoren opladning af belastningskondensatoren, når outputtet stiger fra 0 volt til den endelige regulerede værdi. Derfor er den samlede tid fra aktivering af SHDN-inputtet til outputtets levering af reguleringsspændingen summen af den indbyggede 400 μs forsinkelsestid plus udgangsspændingens stigetid. Stigetiden afhænger af V_OUT og kan variere fra 200 op til 1000 μs.

På samme måde kan ON Semiconductors NCP171 dual-mode XDFN4 package LDO sættes i en nedlukningstilstand ved at føre dens ENA-pin lavt (mindre end 0,4 volt). LDO'en har et fast udgangsspændingsområde på 0,6 til 3,3 volt fra et 1,7 til 5,5 volt input og et V_DROPOUT på 110 mV. NCP171 har dog et mere avanceret system til forlængelse af batterilevetiden, der bidrager til at forbedre reaktionen, når der skiftes fra en energibesparende tilstand til det regulerede spændingsoutput, der kræves til normal drift.

I aktiv tilstand er LDO'en i stand til at levere op til 80 mA, men når den energibesparende tilstand bruges, er LDO'ens regulerede udgangsspænding ikke slået fra. I stedet er I_OUT begrænset til maks. 5 mA. Da en anden del af LDO'en bruges til regulering, er I_GND reduceret betydeligt, hvilket forlænger batteriets levetid. De energibesparende (og aktive) tilstande kan vælges via LDO'ens ECO-pin (figur 3).

Figur 3: ON Semiconductors NCP171 kan skiftes fra en aktiv til en energibesparende tilstand via ECO-pin. I energibesparende tilstand er I_OUT begrænset til maks. 5 mA, mens I_GND er reduceret betydeligt. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Når ECO-pin er ført lavt (til jord), skifter LDO'en til energibesparende tilstand. I_Q reduceres fra 55 μA til 50 nA. Indvirkningen på I_GND er tilsvarende betydelig: i aktiv tilstand I_GND = 420 µA (I_OUT = 80 mA), sammenlignet med energibesparende tilstand, hvor I_GND = 2,5 µA (I_OUT = 5 mA). Effekttabet i denne tilstand er kun marginalt højere, end når enheden er i nedlukningstilstand. Det er muligt at reducere strømforbruget i energibesparende tilstand yderligere ved at mindske den aktive tilstands nominelle udgangsspænding med en af de internt programmerede offsets på 50, 100, 150 og 200 millivolt.

Hovedfordelen ved den energibesparende tilstand er svartiden til et krav om normal, reguleret spænding. Når ECO-pin er trukket højt (svarende til V_OUT), kobler det enheden til aktiv tilstand og gendanner NCP171 LDO til den regulerede spænding og en maksimal I_OUT op til 80 mA på mindre end 100 μs (figur 4).

Figur 4: Kobling af NCP171 fra energibesparende tilstand til aktiv tilstand gendanner den regulerede spænding på mindre end 100 μs. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Ved opstart sættes NCP171 som standard i aktiv tilstand – uanset ECO-pins tilstand – så den hurtigt kan nå og stabilisere sig ved den ønskede udgangsspænding. Varigheden af denne tvungne aktive tilstand er typisk 35 millisekunder (ms) og sikrer hurtig opladning af outputkondensatoren og hurtig stigning af I_OUT for at imødekomme belastningens efterspørgsel.

Der er nogle ulemper ved drift i energibesparende tilstand: Strømforsyningsdæmpning (PSRR) – et mål for LDO's evne til at afvise indgangsspændingsspidser – er lavere, og elektrisk støj er let forhøjet (figur 5).

Figur 5: Når NCP171 er i energibesparende tilstand, er PSRR generelt lavere sammenlignet med, når den er i aktiv tilstand. (Billedkilde: ON Semiconductor)

Med NCP171 LDO følger STR-NCP171-EVK-evalueringskittet (EVK). EVK er designet til brug sammen med ON Semiconductors Strata Developer Studio integrerede udviklingsmiljø (IDE), som kører på en pc. EVK tilsluttes IDE'en via et USB-kabel og kan derefter bruges til at eksperimentere med mulighederne i LDO'en – f.eks. aktivere/deaktivere LDO'en og skifte mellem aktive og energibesparende tilstande.

Med EVK og IDE kan ingeniøren også konfigurere og overvåge andre driftsparametre for LDO'en, herunder indgangs- og udgangsspænding, effekttab og enhedens temperatur.

Konklusion

En omhyggeligt udvalgt LDO forenkler designet af en wearables strømforsyning og sikrer samtidig en stabil spænding og strøm. Ved at vælge en LDO med en lav jordstrøm og minimere forskellen mellem indgangs- og udgangsspændingen kan designeren opnå en effektivitet, der ligger tæt på en switch-regulators.

Batterilevetiden for wearables kan forbedres yderligere ved at vælge en LDO i en ny generation, der tilbyder driftstilstande, som vælges fra et dedikeret pin og er designet til at begrænse effekttab, mens wearablen er i dvaletilstand i en længere periode. Silicium-leverandører leverer typisk LDO'en med evalueringsværktøjer, så designeren kan eksperimentere med de bedste indstillinger for enheden for at maksimere batteritiden.