利用高級LDO應對物聯網無線傳感器電源設計挑戰

 

物聯網 (IoT) 在很大程度上依賴於一個無線傳感器網絡，用來監測溫度


、濕度、壓力
、振動、加速度、空氣質量、光強度等參數。這些無線傳感器采用短程射頻技術，例如低功耗藍牙 (Bluetooth LE) 或Zigbee，其特點是低容量、低占空比數據交換。（請參閱資料庫文章《低功耗無線技術的比較》）

 

在產品尺寸、成本
、可靠性、穩定性和效率方麵，這些無線傳感器件的使用模型和功率分布向電源設計人員提出了獨特的挑戰。

 

本文將說明這些挑戰的來源，接著介紹最新低壓差 (LDO) 線(xian)性(xing)穩(wen)壓(ya)器(qi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)示(shi)例(li)
，並(bing)解(jie)釋(shi)它(ta)們(men)為(wei)何(he)能(neng)為(wei)無(wu)線(xian)物(wu)聯(lian)網(wang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)基(ji)礎(chu)。本(ben)文(wen)還(hai)會(hui)提(ti)出(chu)一(yi)些(xie)指(zhi)導(dao)原(yuan)則(ze)，以(yi)確(que)保(bao)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)能(neng)夠(gou)充(chong)分(fen)利(li)用(yong)這(zhe)些(xie)最(zui)新(xin)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)來(lai)提(ti)高(gao)設(she)計(ji)成(cheng)功(gong)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)。

 

選型：開關穩壓器還是LDO？

 

物聯網無線傳感器之所以對電源設計人員構成挑戰，其原因如下：

 

•    通常由尺寸不大的電池供電
，但仍必須有較長的電池壽命

 

•    長時間處於低功耗休眠模式

，然後快速喚醒以發送和/或接收數據，之後又迅速返回休眠模式

 

•    通常將射頻收發器和微控製器集成於單個芯片中

 

•    測量小信號變化

 

•    大量部署，因此必須相對便宜且維護要求低

 

為了給傳感器供電
，設計人員有三種選擇：開關穩壓器、LDO或兩者的組合。這不是一個簡單的選擇，因為每種選擇都需要權衡利弊。

 

例如，開關穩壓器效率高
，因而是延長電池壽命的不錯選擇。然而

，在低負載時效率較低
，例如當無線傳感器處於“休眠”模(mo)式(shi)時(shi)，這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)用(yong)於(yu)節(jie)省(sheng)電(dian)力(li)的(de)常(chang)用(yong)模(mo)式(shi)。其(qi)次(ci)，開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)較(jiao)為(wei)複(fu)雜(za)，導(dao)致(zhi)設(she)計(ji)周(zhou)期(qi)時(shi)間(jian)和(he)潛(qian)在(zai)成(cheng)本(ben)增(zeng)加(jia)。此(ci)外(wai)，開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)的(de)高(gao)頻(pin)工(gong)作(zuo)可(ke)引(yin)起(qi)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao) (EMI)，這會影響敏感的無線片上係統 (SoC) 微控製器和收發器。最後
，這種幹擾也可能影響傳感器的小信號變化
，從而限製測量精度。

 

相反
，LDO線性穩壓器產生的EMI非常少
，使用起來相對簡單且便宜。但是，在可變的輸入電壓和負載範圍內，LDO的效率一般要低於開關穩壓器。另外
，LDO隻能用於降壓配置，而不像開關穩壓器那樣可用於降壓/升壓拓撲。這種情況可能會限製電池的可使用容量。

 

LDO還hai傾qing向xiang於yu對dui快kuai速su負fu載zai變bian化hua表biao現xian出chu中zhong等deng程cheng度du的de瞬shun態tai響xiang應ying，例li如ru當dang無wu線xian收shou發fa器qi從cong休xiu眠mian狀zhuang態tai快kuai速su上shang電dian時shi。這zhe會hui導dao致zhi電dian壓ya尖jian峰feng，可ke能neng損sun壞huai傳chuan感gan器qi電dian路lu。

 

為了充分利用開關穩壓器的效率及LDO的電壓軌穩定性與強大的負載點 (POL) 輸送能力，通常會將這兩種方法結合起來。但是
，這種拓撲會增加複雜性、成本和尺寸，以及布局和庫存管理的難度。

 

設計人員可以不將兩者結合使用

，而是單獨選擇LDO，但要確保其運行效率滿足設計要求。兩個特性至關重要：壓差電壓（或 VDROPOUT）和平均輸入/輸出電壓差。

 

壓差：LDO的重要參數

 

對於傳統線性穩壓器，一旦輸入/輸出電壓的壓降達到晶體管的電壓開銷（約為2V），功能就會受到影響。這樣會限製效率。

 

典型LDO用PNP晶體管或P型MOSFET取代了NPN晶體管或N型MOSFET
，後兩種器件在傳統線性穩壓器中用作串聯控製元件（圖1）。這改變了電路，使其成為電流源，而不是發射極（源極）跟隨器。

 

圖1：LDO中的傳輸元件為P型MOSFET，其可以在接近飽和狀態下工作。這與傳統線性穩壓器相比
，是通過降低VDROPOUT來提高效率。（圖片來源：Texas Instruments）

 

P型MOSFET可以在接近飽和狀態下工作，因而最小輸入/輸出電壓差大大降低。這就是“壓差電壓”或VDROPOUT，此時器件可以正確調節輸出電壓。對於一款不錯的LDO，VDROPOUT通常小於200mV。

 

新一代LDO的推出為設計人員提供了更低的VDROPOUT

，能(neng)夠(gou)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)，限(xian)製(zhi)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)電(dian)流(liu)，以(yi)及(ji)增(zeng)加(jia)電(dian)池(chi)的(de)可(ke)使(shi)用(yong)容(rong)量(liang)。如(ru)前(qian)所(suo)述(shu)
，無(wu)線(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)大(da)部(bu)分(fen)時(shi)間(jian)都(dou)處(chu)於(yu)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)。這(zhe)是(shi)為(wei)了(le)節(jie)省(sheng)電(dian)力(li)
，但(dan)處(chu)於(yu)休(xiu)眠(mian)模(mo)式(shi)的(de)時(shi)間(jian)可(ke)能(neng)達(da)到(dao)99%
，因此利用較低壓差來減小休眠模式電流參數，這對於延長電池壽命非常重要。

 

關注抑製噪聲和波紋

 

新式LDO還有更好的瞬態電壓響應和輸入紋波濾波性能
，可提供更穩定的電源和更好的電源抑製比(PSRR)。設計人員可以通過增加輸出電容的值並降低其等效串聯電阻 (ESR) 來進一步改善LDO的瞬態響應，同時仍要注意基底麵、體積和成本。

 

PSRR可衡量電路對電源輸入上外來信號（噪聲和紋波）的抑製程度。PSRR沒有行業標準定義，但通常定義為電源電壓變化與其產生的等效（差分）輸出電壓之比（以分貝 (dB) 為單位）。

 

PSRR與頻率相關。在1千赫茲 (kHz) 時，良好LDO的基準值介於60dB至110dB之間（圖2）。

 

圖2：該圖顯示高性能LDO的PSRR頻率響應：在1kHz時，良好LDO的基準值介於60dB至110dB之間。（圖片來源：Analog Devices）

 

對於電池供電的直流 (DC) 輸入（例如無線傳感器可能使用的輸入），外來信號出現的可能性要比使用AC電源時小得多，但仍可能存在。對於此類應用，具有良好PSRR的LDO能確保電壓穩定性，是值得投資的選擇。

 

無線傳感器電源設計考慮因素

 

雖然新一代LDO為wei無wu線xian傳chuan感gan器qi提ti供gong了le一yi種zhong很hen有you前qian景jing的de供gong電dian解jie決jue方fang案an

，但dan務wu必bi注zhu意yi，在zai設she計ji過guo程cheng中zhong還hai必bi須xu仔zai細xi考kao慮lv這zhe些xie器qi件jian的de特te性xing。例li如ru

，線xian性xing穩wen壓ya器qi無wu法fa反fan轉zhuan電dian源yuan，因yin此ci，若ruo待dai供gong電dian的de電dian路lu需xu要yao負fu電dian壓ya，則ze需xu要yao負fu輸shu入ru電dian壓ya。

 

對於電池壽命非常重要的無線傳感器應用，第二個重要考慮因素是LDO隻能在降壓配置中工作。這種限製決定了電池輸入電壓必須高於傳感器電子器件所需的最高電壓。

 

在無線傳感應用中，如果典型Bluetooth LE SoC（例如Dialog Semiconductor的DA14585或Nordic Semiconductor的nRF52832）由降壓配置的電源供電
，則需要1.5V至1.7V的最小輸入電壓。

 

這對初始電池選擇會有影響：單節1.2V AA鎳鎘 (NiCad) 電池不在選擇範圍內。它還會影響總的電池可使用容量
，因為當電壓降至無線SoC所需的最小值以下時，電池可能仍有一些電量。這些因素都屬於電池考慮事項

，不過無線傳感器應用的常見選擇是Panasonic的3V、225毫安時 (mAh) CR2032鋰錳紐扣電池。該電池的特點是重量輕（2.9克），放電特性出色，放電期間電壓穩定，並具有長期可靠性。

 

限製壓差電壓：提高LDO效率

 

雖然 LDO 的效率一般比開關穩壓器低，但隨著輸入和輸出電壓之間的差異減小
，其效率會提高；效率 = VOUT/VIN。這其中的原因是
，當電壓差較小時，LDO內部電路的功耗會更低。由此還會帶來一個好處：與熱量相關的問題會大大減少。在足夠小的電壓差下，LDO能以95%至99%的效率運行。

 

一種不錯的設計方法是選擇適當的輸入和輸出電壓


，在效率與電池可使用容量之間進行取舍。如果在電池仍有大量能量剩餘的情況下LDO進入壓差狀態，那麼通過縮小輸入和輸出電壓之間的差距來最大化效率，這是毫無意義的。

 

這樣會導致一個問題：LDO何時產生壓差？在VDROPOUT時
，LDO傳輸元件（P型MOSFET的PNP晶體管）充當電阻器，其值與晶體管漏源導通電阻 (RDSON)相等。對於給定的負載電流 (ILOAD)，VDROPOUT = ILOAD × RDSON。

 

對於當今LDO中使用的PNP晶體管或P型MOSFET，RDSON約等於1歐姆 (Ω)。好消息是
，典型無線傳感器的工作電流不大
，因此VDROPOUT相當低。例如，無線傳感器應用的典型平均電流負載為190微安 (μA)。因此
，VDROPOUT = 190µA x 1Ω =190微伏 (µV)。在無線數據傳輸期間，無線SoC的ILOAD峰值可能是7.5毫安 (mA)
，這會將VDROPOUT提高到7.5毫伏 (mV)。雖然更顯著，但相對而言仍然很低。

 

然而，設計人員應注意，VDROPOUT是LDO無法再調節電源電壓的臨界點。為了滿足全部規格要求
，LDO通常需要額外的“裕量電壓”。此裕量通常會使VDROPOUT增加250至500mV，但對於某些LDO
，裕量可能高達1.5 V。供應商最好在產品規格書中列出裕量電壓。

 

當無線傳感器處於超低功耗休眠模式時
，它幾乎不需要電流便能保持“激活”狀態
，LDO會繼續消耗一些電流。對於良好的LDO

，gaijingtaidianliutongchangchuyuweianji。zhetingqilaikenengweibuzudao，danjingguojiaochangshijianhou，zhezhongdianliuxiaohaokenengduidianchishoumingchanshengzhongdayingxiang，tebieshikaolvdaowuxianchuanganqidabufenshijian（高達99%的時間）都處於休眠狀態
，如上所述。當裝置使用數十個傳感器時，問題會變得更加嚴重。電池壽命對於避免頻繁和代價不菲的更換至關重要。

 

此外
，在無線傳感器應用中，LDOtigonglianghaodeshuntaidianyahefuzaixiangyingyehenzhongyao。zaiguanliwuxianchuanganqidegonglvyusuanshi，guanjianyinsushiyaoquebaoqijianzaixuyaofasonghuojieshoushujushinenggoujinkuaidiwancheng
，yizuidaxiandudijianshaoxiangduijiaogaofasong/接收電流的持續時間。休眠時，無線SoC僅消耗數十納安電流
，但在發送或接收數據時，電流迅速上升兩個數量級。

 

LDO對此的瞬態響應定義為負載電流快速變化下的輸出電壓變化（圖3）。

 

圖3：對輸出負載快速變化的瞬態電壓響應是無線傳感器應用的LDO關鍵性能指標。此處所示為高性能LDO的響應。（圖片來源：Maxim Integrated）

 

對瞬態響應的主要影響是LDO控製反饋環路的增益帶寬。如果負載瞬態快於補償環路的響應，便可能發生瞬時振蕩，導致EMI。在低負載無線傳感器應用中，一個關鍵問題是在此區域中，傳統LDO穩壓器會遭受環路增益較低的影響。一些較新的LDO采用低電流模式電路
，在超低或無負載情況下提高環路增益
，從而改善低至零輸出電流的瞬態響應。

 

使用LDO應對無線傳感器挑戰

 

如下是調節無線傳感器電壓的LDO關鍵工作參數：

 

•    低RDSON（使工作電流範圍內的VDROPOUT最小）

 

•    低開銷電壓

 

•    低靜態電流

 

•    良好的PSRR

 

•    良好的瞬態負載響應

 

•    良好的低負載環路增益

 

其他重要因素包括封裝尺寸
、所需外設元件的數量和成本。

 

Texas Instruments的TPS7A10 LDO是無線傳感器應用的不錯選擇。它采用緊湊型1.5mm × 1.5mm封裝，輸入電壓範圍為0.75V至3.3V，輸出範圍為0.5V至3.0V。在額定負載
、電壓和溫度變化範圍內
，穩定性在1.5%以內。輸出範圍恰好匹配上述Dialog Semiconductor或Nordic Semiconductor示例的輸入電壓要求（1.5V至3.6V）。

 

在典型的無線傳感器工作條件下

，TI芯片的VDROPOUT僅為數十毫伏（300mA時最大值為70mV (VOUT > 1.0V)）
，LDO電壓開銷約為250mV。該LDO可拉出300mA的電流，靜態電流隻有幾微安。TI還建議通過LDO為模擬傳感器中使用的處理器提供較低的核心電壓。該LDO的PSRR為60dB（1kHz時）。TI通過整合低電流模式電路來提高超低負載下的環路增益，從而增強瞬態響應。

 

為了試驗目的以及幫助設計起步，TI還提供了TPS7A10EVM-004評估模塊。該模塊具有單個LDO
，工程師可以在各種工作條件下輕鬆評估TPS7A10的操作和性能（圖4）。

 

圖4：TI的TPS7A10EVM-004評估模塊使得工程師可以輕鬆評估TPS7A10 LDO，同時還提供散熱和布局設計指南。（圖片來源：Texas Instruments）

 

Maxim Integrated也為無線傳感器應用提供了不錯的LDO選擇，即MAX8636ETA+。該器件采用2mm x 2mm封裝，輸入電壓範圍為2.7V至5.5V。該LDO提供兩路輸出；一路的可配置範圍是2.6V至3V
，另一路的可配置範圍是1.5V至2.8V。兩路輸出均可提供高達300mA的電流。對於典型的無線SoC負載
，VDROPOUT在數十毫伏左右（100mA時最大值為90mV）。兩個LDO均開啟時
，典型靜態電流約為54μA。MAX8636ETA+的PSRR為60dB（1kHz時），瞬態負載響應十分穩定。

 

如果需要負電壓軌，Analog Devices的LT3094超低噪聲、超高PSRR LDO便是不錯的選擇。除了-1.8V至-20V的負電壓輸入外，其他特性與TI和Maxim Integrated器件類似。產品尺寸為3mm × 3mm
，輸出電壓高達-19.5V。輸出電流可達500mA（最大值）。

 

對於100mA以下的電流，LT3094的VDROPOUT為200mV；靜態電流為3μA；1kHz時PSRR為60dB；瞬態響應也很穩定。該器件可與另一個LT3094 LDO並聯工作以降低噪聲。

 

Analog Devices為LT3094提供了一個演示板，即DC2624A
，它可作為有用的指南器件，幫助用戶實現最佳的電路布局和物料清單(BOM)
，以最大限度地降低噪聲並提高LDO的PSRR。

 

設計實例分析

 

對於采用SoC的無線傳感器（例如上述Dialog或Nordic Semiconductor器件），TI、Maxim和Analog Devices的LDO都是不錯的電壓調節選擇。例如在一個簡單的應用中，SoC是電池電量的主要消耗者，所選電池為Panasonic CR2032。無線SoC采用1.5V至3.6V的電壓輸入工作。電池最初提供標稱3V電壓。

 

如果所選LDO的輸出選定為2.5V，則無線SoC的輸入電壓規格能得到滿足。當電池充滿電（即提供3 V）時

，LDO的效率為83%
；在20˚C以及平均無線傳感器工作電流190μA下工作1000小時之後，電池仍可提供約2.7V電壓，效率提高到近93%。

 

假設電壓輸出在1000小時工作時間內大致呈線性降低
，則LDO的平均效率（在恒定的190 μA負載下）為88%。進入壓差狀態之前，大約74%（平均效率88% x 84%的可使用容量）的電池能量已用來為傳感器供電（圖5）。

 

圖5：在190μA的典型無線傳感器平均電流負載和20°C的工作溫度下
，CR2032電池可維持>2.7V電壓1000 小時。（圖片來源：Panasonic）

 

本文小結 

 

支持無線功能的物聯網傳感器將繼續得到大量采用，因此設計工程師考慮如何最大限度地降低功耗（包括工作時和休眠模式下）就變得十分重要。

 

雖然開關穩壓器一般來說效率更高
，但在無線傳感器件的功率分布和使用模式下，其相對於LDO的效率優勢迅速減弱。此外
，新一代LDO正在縮小效率差距，同時還帶來更高的PSRR和更快的瞬態負載響應。

 

LDO還具有設計簡便、經濟高效
、體積小巧
、噪聲低等特性，將其用作無線物聯網傳感器的獨立電源值得認真考慮。然而，最大限度發揮LDO優勢的關鍵是選擇一個與無線傳感器電子器件的電壓和電流要求更緊密相配的LDO。

 

原創： Digi-Key