Bruk justerbare LDO-er med lav lekkasje for å forlenge batteriets levetid i utforming for kroppsbårne enheter (wearables)

Svitsjende spenningsregulatorer har ord på seg for å gi høy effektivitet, noe som gjør dem til et populært valg innen konstruksjon av strømforsyninger for kroppsbårne enheter for å forlenge batterilevetiden. Men slike regulatorer kan avgi elektrisk støy, er komplekse å innpasse i enheten, tar opp mye plass og er relativt dyre.

Til sammenligning har lineære regulatorer en rippelfri utgang, samt at de er enkle, kompakte og rimelige. Men på tvers av et bredt belastningsområde er de vanligvis mindre effektive enn svitsjende regulatorer, noe som påvirker batteriets levetid. Uansett, ved å bruke en lineær regulator med lavt bortfall (kalles ofte bare en «LDO») og å optimalisere enhetens effekt for å sikre at den fungerer i sitt mest effektive område, kan konstruktørene nesten matche den generelle effektiviteten til en svitsjet regulator.

Det er imidlertid ett viktig problem som gjenstår: kroppsbårne enheter er konstruerte for å være lenge i standbymodus med lav effekt for å bevare batterilevetiden. Selv i disse modusene trekker LDO-regulatoren en merkbar mengde strøm. Selv om det er en liten mengde, forkorter denne strømbruken sluttproduktets batterilevetid.

En ny generasjon LDO-løsninger løser problemet. Ved å bruke disse enhetene kan konstruktørene justere utgangsstrømmen og fallspenningen for å minimere det innvendige effekttapet når den kroppsbårne enheten er i lavstrømsmodus.

Denne artikkelen viser hvordan du velger en LDO for å drive en kroppsbåren enhet. Den forklarer deretter hvordan en ny generasjon LDO-er kan brukes til å maksimere effektiviteten uten å svekke brukeropplevelsen.

LDO eller svitsjet regulator?

En viktig beslutning i konstruksjonsprosessen av strømforsyningen til en kroppsbåren enhet er valget av regulator. Konstruktøren står overfor valget av en svitsjet regulator eller en LDO. Hver av dem har fordeler og ulemper som kan gjøre det vanskelig å avgjøre hvilken som bør brukes til et gitt bruksområde, se Forstå fordelene og ulempene ved lineære regulatorer.

Kroppsbårne enheter har en rekke konstruksjonsutfordringer som gjør utvelgelsesprosessen enda vanskeligere:

• Bruk av svært små batterier for å gi en kompakt utførelse
• Et krav om lang batterilevetid
• Behovet for stabil tilførsel til strømsensitiv elektronikk
• Rask oppvåkning fra dvalemodus for å forbedre brukeropplevelsen

En effektiv svitsjet regulator kan dekke behovet for batterilevetid, men en stor ulempe er relativt høye nivåer med elektromagnetisk interferens (EMI) som forårsakes av regulatorens høye frekvensdrift, noe som kan forstyrre enhetens sensitive mikrokontroller og transceiver.

Dette problemet kan løses ved å bruke en svitsjet regulator til spenningskonvertering og legge til en LDO i seriekobling for å minimere spenningsrippel og strømrippel på enhetens utgang. En slik ordning drar imidlertid med seg kompleksitet og kostnader, samt at den øker størrelsen på strømforsyningen.

En alternativ tilnærming er å bruke en LDO som en stabil spenningsforsyning og maksimere effektiviteten ved å velge en enhet med lavt innvendig effekttap, samt å minimere forskjellen mellom regulatorens inn- og utgangsspenninger.

Beregning av LDO-effektivitet

En LDOs effektiviteten avgjøres av dens jordstrøm (I_GND) og inn- og utgangsspenninger (V_INN og V_UT). Formelen for beregning av effektivitet er:

Effektivitet = I_UT/(I_UT + I_GND) × V_UT/V_INN × 100 %

I_GND er strømmen som er nødvendig for å betjene de interne kretsene i LDO-en (som er forskjellen mellom inngangs- og utgangsstrømmen). En viktig del av dette er LDO-ens hvilestrøm (I_Q), som er strømmen som kreves for å drive LDO-ens interne kretser når den eksterne lastestrømmen er nær null. Det inkluderer ting som driftsstrømmen i feilforsterkeren, utgangsspenningsdeleren og overstrøms- og temperaturfølerkretsene.

På grunn av deres innvirkning på effektiviteten er I_GND og I_Q svært viktige spesifikasjoner på et LDO-datablad. For eksempel har et produkt som er egnet til å drive en kroppsbåren enhet, for eksempel Microchips MCP1811BT-028/OT LDO, verdiene I_GND = 180 mikroampere (µA) (ved I_UT = 300 milliampere (mA)) og I_Q = 250 nanoampere (nA). I_Q (og derfor I_GND) øker etter hvert som I_UT stiger. Dette forholdet vises tydelig når det gjelder STMicroelectronics sin LDL112 (figur 1).

Figur 1: denne grafen viser tydelig forholdet mellom laststrømmen og hvile hvilestrømmen for STMicroelectronics' LDL112 LDO. (Bildekilde: STMicroelectronics)

For en LDO som møter lasten som er typisk for en kroppsbåren enhet som tar opp og overfører data (for eksempel flere hundre milliampere), er I_GND relativt ubetydelig sammenlignet med I_UT, så den viktigste faktoren som bestemmer effektiviteten, blir spenningsforskjellen mellom inngang og effekt.

For eksempel er effektiviteten til en LDO med V_INN på 5 volt og V_UT på 3,3 volt er 66 %. Men dette stiger til så mye som 91,7 % når tilførselen reduseres til 3,6 volt. LDO-ens strømforbruk kan beregnes fra P = (V_INN – V_UT) x I_UT.

Men å øke LDO-ens virkningsgrad ved å øke forskjellen mellom inngangs- og utgangsspenningen, går bare til en viss grense, ettersom enheten ikke klarer å regulere utgangsspenningen hvis den faller under den laveste terskelen. Denne minimumsterskelen er kjent som fallspenningen (eller dropout) (V_DROPOUT). For en moderne enhet som STMicroelectronics' LDL112 måler V_DROPPUT 350 millivolt (ved 3,3 volt, 1 A utgang).

Konstruktøren bør merke seg at V_DROPOUT er det punktet hvor LDO-en ikke lenger kan regulere forsyningsspenningen. For å oppfylle sin fulle spesifikasjon, krever LDO-en vanligvis en ekstra «takhøyde-spenning», som vanligvis legger til 250 til 500 mV ekstra til V_DROPOUT, men det kan være så mye som 1,5 volt for noen LDO-er. V_DROPOUT og takhøydespenningen må tas i betraktning ved fastsettelse av forskjellen mellom inn- og utgangsspenningen.

For mer informasjon om utforming av LDO for batteridrevne enheter se, Bruk av avanserte LDO-er for å møte konstruksjonsutfordringene med strømforsyningen i IoT-trådløse sensorer.

Optimalisering av LDO-ens ytelse

Som vist ovenfor, er det god konstruksjonspraksis for en kraftbegrenset konstruksjon å minimere spenningsforskjellen over LDO-en, da den resulterende strømbesparelsen kan forlenge dramatisk batteriets levetid. Det er imidlertid mer som kan gjøres når strømbudsjettet er veldig begrenset.

Ett område som bør vurderes, er strømmen som brukes når en kroppsbåren enhet er i en laveffekts- eller dvalemodus, for eksempel når enheten ikke bruker mikrostyringen, transceiveren eller GPS-funksjonen. Selv om sluttproduktets strømforbruk vil være lavt i denne modusen, må LDO-en forbli aktiv for å minimere ventetiden i tilfelle brukeren trykker på en knapp eller aktiverer en berøringsskjerm.

Når enheten er i dvalemodus, er I_UT liten, derfor har I_GND større innvirkning på effektiviteten enn under normal drift. Fordi belastningen på enheten er lav, er ikke det faktiske strømforbruket høyt, uansett er det kontinuerlig og over en lengre periode vil det ha stor innvirkning på batteriets levetid. Det er god konstruksjonspraksis å velge en LDO som tilfredsstiller denne spesifikasjonen, samtidig som den gir laveste strømforbruk for enheten selv, for å minimere tap når I_UT er lav.

Enda bedre er det at de fleste nyere LDO-er har et alternativ for å sette enheten i avslåingsmodus ved å dra ned en valgt pinne. Resultatet er å koble enheten helt fra lasten, noe som effektivt begrenser I_UT til bare I_GND.

For eksempel har Microchips MCP1811A en avslåingsinngang («SHDN») som brukes til å slå LDO-ens utgangsspenning av og på (figur 2). Enheten drives fra en 1,8 til 5,5 volts inngang og tilbyr et utvalg av ni faste utganger på tvers av et område på 1–4 volt. LDO-en har en V_DROPOUT på 400 mV, som gir en maksimal effekt på opptil 150 mA, og har I_Q på 250 nA og en I_GND på 80 µA (ved I_UT = 150 mA, V_INN = 5 volt, V_OUT = 4 volt).

Figur 2: Microchips MCP1811A har en avslåingsmodus. Responstiden til SHDN-pinnen går høyt og leveringen av den regulerte spenningen varierer mellom 600 og 1400 μs. (Bildekilde: Microchip Technology)

Når SHDN-inngangen er høy (minimum 70 % av V_INN), aktiveres LDO-ens utgangsspenning, og enheten leverer den regulerte spenningen. Når SHDN-inngangen trekkes ned (maks. 20 % av V_INN), slås den regulerte spenningsforsyningen av, og LDO-en går inn i en lavspennings avslåingstilstand der typisk I_Q er 10 nA, og I_GND er rundt 2 μA.

Fordelen med å kunne sette MCP1181A i avslåingsmodus, er den åpenbare strømbesparelsen, men ulempen er påvirkningen oppstartstiden har på systemets respons. For å sikre at LDO-en ikke slår seg på, grunnet systemstøytopper på SHDN-pinnen og sløser med batteristrømmen, har avslåingskretsen en 400 mikrosekunders (μs) forsinkelse på den stigende kanten av SHDN-inngangen før regulatoren slås på. Dette er en god idé fra et driftsmessig perspektiv, men har en innvirkning på responsen. Etter den forhåndsinnstilte forsinkelsen, begynner regulatoren å lade belastningskondensatoren mens effekten stiger fra 0 volt til den endelige regulerte verdien, hvis SHDN-inngangen fortsatt er høy. Derfor vil den totale tiden fra SHDN-inngangen slås på til effekten som leverer reguleringsspenningen, være summen av den innebygde 400 μs forsinkelsestiden pluss utgangsspenningens stigetid. Denne stigetiden avhenger av V_UT og kan variere fra 200 til 1000 μs.

På samme måte kan ON Semiconductors NCP171 Dual-Mode XDFN4 pakke-LDO settes i nedstengingsmodus ved å kjøre ENA-pinnen lavt (mindre enn 0,4 volt). LDO-en har et fast utgangsspenningsområde på 0,6 til 3,3 volt fra en inngang på 1,7 til 5,5 volt, og en V_DROPOUT på 110 mV. NCP171 tilbyr imidlertid et mer sofistikert system for å forlenge batterilevetiden som bidrar til å forbedre responsen når du skifter fra laveffektsmodus til den regulerte spenningen som er nødvendig for normal drift.

I aktiv modus er LDO-en i stand til å levere opptil 80 mA, men ved bruk av laveffektsmodus slås ikke LDO-ens regulerte utgangsspenning av – i stedet begrenses I_UT til maksimalt 5 mA. Siden det er en annen del av LDO-en som brukes til regulering, reduseres I_GND betydelig, noe som forlenger batteriets levetid. Modusene for lavteffekt (og aktivt) kan velges via LDO-ens ECO-pinne (figur 3).

Figur 3: ON Semiconductors NCP171 kan koble fra en aktiv til en laveffektsmodus via ECO-pinnen. I laveffektsmodus er I_UT begrenset til maksimalt 5 mA, mens I_GND reduseres betydelig. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Når ECO-pinnen kjøres lavt (til bakken), kobler LDO-en til laveffektsmodus. I_Q reduseres fra 55 μA til 50 nA. Innvirkningen på I_GND er like viktig: i aktiv modus er I_GND = 420 μA (I_OUT = 80 mA), sammenlignet med laveffektsmodusen der I_GND =2,5 μA (I_OUT = 5 mA). Effekttapet i denne modusen er bare marginalt høyere enn når enheten er i avslåingsmodus. Det er mulig å redusere strømforbruket i laveffektsmodus ytterligere ved å redusere den nominelle utgangsspenningen ved en av de innvendige programmerte forskyvningene på 50, 100, 150 og 200 millivolt.

Den viktigste fordelen med laveffektsmodus er responstiden til en kommando etter normal regulert spenning. Når den trekkes høyt (lik V_UT), setter ECO-pinnen enheten til aktiv modus og gjenoppretter NCP171-LDO-en til den regulerte spenningen, og en maksimum på I_UT opptil 80 mA på mindre enn 100 μs (figur 4).

Figur 4: Kobling av NCP171 fra laveffektsmodus til aktiv modus gjenoppretter den regulerte spenningen på mindre enn 100 μs. (Bildekilde: ON Semiconductor)

Ved oppstart er NCP171 som standard satt til aktiv modus uavhengig av tilstanden til ECO-pinnen. Dermed kan at enheten raskt nå målutgangsspenningen og stabiliseres der. Varigheten til denne aktive modusen er vanligvis 35 millisekunder (ms) og sikrer rask lading av effektkondensatoren og rask økning av I_UT for å møte lastens etterspørsel.

Det er noen ulemper ved bruk i laveffektsmodus: strømforsyningens avvisningsforhold (PSRR) – et mål på LDO-ens evne til å avvise inngangsspenningstopper lavere – og den elektriske støyen er litt høyere (figur 5).

Figur 5: Når NCP171 er i laveffektsmodus, er PSRR vanligvis lavere, sammenlignet med når den er i aktiv modus. (Bildekilde: ON Semiconductor)

NCP171-LDO-en følges av STR-NCP171-EVK-vurderingssettet (EVK). EVK-en er utformet for å brukes med ON Semiconductor sitt Strata Developer Studio Integrated Development Environment (IDE), som kjøres på en PC. EVK-en er koblet til IDE-en via en USB-kabel, og kan deretter brukes til å eksperimentere med LDO-ens egenskaper, for eksempel aktivere/deaktivere LDO-en og bytte mellom aktive og laveffektsmoduser.

EVK-en og IDE-en gjør det også mulig for konstruktøren å konfigurere og overvåke andre driftsparametere for LDO-en, inkludert inn- og utgangsspenning, effekttap og enhetens temperatur.

Konklusjon

En nøye utvalgt LDO forenkler strømforsyningen i en kroppbåren enhet (wearable), samtidig som den sikrer stabil spenning og strøm. Ved å velge en LDO med lav jordstrøm, samt minimere forskjellen mellom inngangs- og utgangsspenningen, kan konstruktøren oppnå en virkningsgrad i nærheten av en svitsjet regulator.

Enhetens batterilevetid kan forbedres ytterligere ved å velge én LDO av nyere generasjoner som tilbyr driftsmoduser som velges fra en dedikert pinne, og som er konstruert for å begrense effekttapet mens den kroppsbårne enheten er i dvalemodus over en lengre periode. Silisiumleverandører følger vanligvis LDO-er med evalueringsverktøy som gjør det mulig for konstruktøren å eksperimentere med de beste innstillingene for enheten med tanke på å maksimere batterilevetiden.