發布日期：2022-04-17 點擊率：60
開關穩壓器以高效率著稱，是可穿戴設備電源設計的常見選擇，有助于延長電池續航時間。但是，這種穩壓器可能產生電噪聲，設計導入復雜，占用大量空間，而且相對昂貴。
相比之下，線性穩壓器可提供無紋波輸出，并且簡單、緊湊、便宜。然而，在寬負載范圍內，其效率通常不如開關穩壓器，這會影響電池續航時間。不過，通過采用低壓差 (LDO) 線性穩壓器（通常簡稱為“LDO”），并優化器件輸出以確保其在最高效率區間內工作，工程師便可以使之實現接近開關穩壓器的整體效率。
但是，仍有一個重要問題需要解決：為了節省電池電量，可穿戴設備許多時候處于低功耗待機模式；即便在這些模式下，LDO 也會消耗可觀的內部電流。這樣電流消耗雖小，卻仍會縮短最終產品的電池續航時間。
新一代 LDO 解決方案解決了這個問題。使用這些器件，當可穿戴設備處于低功耗模式時，工程師可以調節輸出電流和壓差，以最大程度地減少內部功耗。
本文首先介紹如何選擇 LDO 來為可穿戴設備供電，然后說明如何使用新一代 LDO 來使之效率最大化，同時不影響用戶體驗。
在可穿戴設備電源設計過程中，穩壓器的選擇是一項關鍵決策。工程師需決定是選擇開關穩壓器還是 LDO。兩種穩壓器都有其優缺點，這讓工程師難以決定在特定應用中選擇哪種；請參見了解線性穩壓器利弊。
可穿戴設備給設計帶來了許多挑戰，使得選擇過程變得越發困難：
需要使用微型電池來幫助實現緊湊設計
要求長電池續航時間
需要穩定電源來為功率敏感電子器件供電
能從休眠狀態迅速喚醒以增強用戶體驗
高效率開關穩壓器可以滿足電池續航時間的需求，但它有一個重大缺點，那就是穩壓器的高頻率操作會引起較高水平的電磁干擾 (EMI)，這可能會影響可穿戴設備的敏感微控制器和收發器。
采用開關穩壓器進行電壓轉換，并串聯一個 LDO，以最大程度地減少器件輸出的電壓和電流紋波，可以解決此問題。但是，這種拓撲結構會增加復雜性、成本和電源尺寸。
另一種辦法是使用 LDO 來提供穩定的電壓；并通過選擇內部功耗較低的器件，以及最小化穩壓器的輸入輸出電壓差，從而最大程度地提高效率。
LDO 的效率取決于其接地電流 (IGND) 和輸入輸出電壓（VIN 和 VOUT）。效率計算公式如下：
效率 = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%
IGND 是讓 LDO 內部電路工作所需的電流（其為輸入電流和輸出電流之差），其中一個關鍵部分是 LDO 的靜態電流 (IQ)。靜態電流是當外部負載電流接近零時，為 LDO 內部電路供電所需的電流。它包括誤差放大器、輸出分壓器以及過流和溫度檢測等電路的工作電流。
由于對效率有影響，IGND 和 IQ 成了 LDO 規格書上的關鍵規格。例如，一款適合為可穿戴設備供電的產品，例如 Microchip 的 MCP1811BT-028/OT LDO，其 IGND = 180 微安 (μA)（IOUT = 300 毫安 (mA) 時）且 IQ = 250 納安 (nA)。隨著 IOUT 升高，IQ（并因此包括 IGND）也會升高。STMicroelectronics 的 LDL112 就很清楚地表現出這種關系（圖 1）。
圖 1：此曲線圖清楚顯示了 STMicroelectronics LDL112 LDO 的負載電流與靜態電流之間的關系。（圖片來源：STMicroelectronics）
對于一款滿足可穿戴設備（記錄和傳輸數據）典型負載（例如幾百毫安）的 LDO，IGND 與 IOUT 相比微不足道，因此決定效率的關鍵因素在于輸入輸出電壓差。
例如，VIN 為 5 V 且 VOUT 為 3.3 V 時，LDO 的效率為 66%。但是，當電源電壓降至 3.6 V 時，效率上升至 91.7%。LDO 的功耗計算方法為：P = (VIN - VOUT) x IOUT。
然而，由于存在一個閾值，低于該閾值時器件將無法正確調節輸出電壓，因此目前只能通過減小輸入輸出電壓差來提高 LDO 效率。這一最小閾值稱為壓差 (VDROpOUT)。對于 STMicroelectronics LDL112 之類的現代器件，VDROPOUT 測量值為 350 mV（3.3 V、1 A 輸出時）。
設計人員應注意，VDROPOUT 是 LDO 無法再調節供電電壓的臨界點。為了達到其最高規格，LDO 通常需要額外的“凈空電壓”，一般是在 VDROPOUT 之上再增加 250 至 500 mV，但某些 LDO 可能需要增加多達 1.5 V。確定輸入輸出電壓差時，必須考慮 VDROPOUT 和凈空電壓。
有關在電池供電型設備設計中導入 LDO 的更多信息，請參見利用高級 LDO 應對物聯網無線傳感器電源設計挑戰。
如上文所示，對于功耗受限的設計，盡量減少 LDO 兩端的電壓差是良好的工程實踐，因為所節省的功率可以顯著延長電池續航時間。但是，當功率預算嚴重受限時，還有很多事情要做。
需要考慮的其中一個方面是可穿戴設備處于低功耗或“休眠”模式時（例如，設備未使用微控制器、收發器或 GPS 功能時）消耗的電力。盡管最終產品在此模式下的電流消耗會較低，但 LDO 必須保持活動狀態，以便在用戶按下操作按鈕或激活觸摸屏時，設備能以盡量短的延遲時間喚醒。
當可穿戴設備處于休眠狀態時，IOUT 很小。因此，IGND 對效率的影響要比正常工作期間大。由于器件的負載很小，實際功耗并不大；但是，這種消耗是連續且長時間的過程，會對電池續航時間產生重大影響。優良的設計實踐是選擇一個既符合規格，又能提供最低內部電流消耗的 LDO，以在 IOUT 較低時將損耗降至最小。
不過，令人欣慰的是，大多數現代 LDO 提供了通過拉低選定引腳將器件置于關斷模式的選項。其結果是器件與負載完全斷開，從而有效地將 IOUT 限制到僅為 IGND。
例如，Microchip 的 MCP1811A 具有一個關斷（“SHDN”）輸入，用于關閉和開啟 LDO 輸出電壓（圖 2）。該器件的輸入電壓范圍為 1.8 V 至 5.5 V，提供從 1 V 到 4 V 的九種固定輸出選擇。該 LDO 的 VDROPOUT 為 400 mV，最大輸出電流為 150 mA，IQ 為 250 nA 且 IGND 為 80 μA（IOUT = 150 mA、VIN = 5 V、VOUT = 4 V 時）。
圖 2：Microchip 的 MCP1811A 具有關斷模式。對 SHDN 引腳變為高電平并提供穩定電壓的響應時間為 600 μs 至 1400 μs 不等。（圖片來源：Microchip Technology）
當 SHDN 輸入為高電平時（至少 70% 的 VIN），LDO 輸出電壓啟動，器件供應穩定電壓。當 SHDN 輸入為低電平時（至多 20% 的 VIN），穩壓電源切斷，LDO 進入低電流關斷狀態，此時 IQ 典型值為 10 nA，IGND 約為 2 μA。
能將 MCP1181A 置于關斷模式的好處是顯著節約功率，但缺點是啟動時間會影響系統響應。為了確保 LDO 不會因 SHDN 引腳上的系統噪聲尖峰而接通并浪費電池電量，關斷電路有 400 微秒 (μs) 的延遲，SHDN 輸入出現上升沿并經過該延遲時間后，穩壓器才開啟。從運行角度看，這是一個好主意，但會影響系統響應。經過預設延遲時間后，如果 SHDN 輸入保持高電平，則伴隨著輸出從 0 V 升至最終穩壓值，穩壓器將開始對負載電容器充電。因此，從 SHDN 輸入導通到輸出提供穩定電壓的總時間為內置 400 μs 延遲時間與輸出電壓上升時間之和。該上升時間取決于 VOUT，變化范圍為 200 μs 至 1000 μs。
同樣，ON Semiconductor 的 NCP171 雙模式 XDFN4 封裝 LDO 可通過拉低 ENA 引腳（小于 0.4 V）而進入關斷模式。該 LDO 有 0.6 V 至 3.3 V 的固定輸出電壓范圍，輸入范圍為 1.7 V 至 5.5 V，VDROPOUT 為 110 mV。不過，NCP171 提供了一種更復雜的系統來延長電池續航時間；當從低功耗模式切換到正常運行所需的穩壓輸出時，它能幫助改善響應。
在活動模式下，該 LDO 能夠提供最高 80 mA 的電流，但當使用低功耗模式時，LDO 的調節輸出電壓，而是將 IOUT 限制為最大 5 mA。由于使用 LDO 的另一部分進行調節，因此 IGND 大大降低，電池續航時間得以延長。可通過 LDO 的 ECO 引腳選擇低功耗（和活動）模式（圖 3）。
圖 3：ON Semiconductor 的 NCP171 可通過 ECO 引腳從活動模式切換到低功耗模式。在低功耗模式下，IOUT 最大值為 5 mA，同時 IGND 顯著降低。（圖片來源：ON Semiconductor）
將 ECO 引腳拉低（接地）時，LDO 切換到低功耗模式。IQ 從 55 μA 降至 50 nA。對 IGND 的影響同樣顯著：在活動模式下，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僅略高于器件處于關斷模式時的功耗。按 50、100、150 或 200 毫伏等內部編程的偏移值降低活動模式標稱輸出電壓，可以進一步降低低功耗模式下的功耗。
低功耗模式的主要優點在于對正常穩壓需求的響應時間。當 ECO 引腳被拉高（等于 VOUT）時，器件切換到活動模式，并在不到 100 μs 的時間內將 NCP171 LDO 恢復至穩壓狀態，最大 IOUT 高達 80 mA（圖 4）。
圖 4：將 NCP171 從低功耗模式切換到活動模式時，可在不到 100 μs 的時間內恢復穩定電壓。（圖片來源：ON Semiconductor）
啟動時，無論 ECO 引腳為何狀態，NCP171 均默認進入活動模式，因此它能快速達到并穩定在目標輸出電壓。這種強制活動模式的持續時間通常為 35 毫秒 (ms)，可確保輸出電容器快速充電以及 IOUT 快速上升，從而滿足負載需求。
在低功耗模式下運行有一些缺點：電源抑制比（PSRR，衡量 LDO 抑制輸入電壓尖峰的能力）較低，并且電氣噪聲略有增加（圖 5）。
圖 5：NCP171 在低功耗模式下的 PSRR 一般比在活動模式下要低。（圖片來源：ON Semiconductor）
NCP171 LDO 隨附 STR-NCP171-EVK 評估套件 (EVK)。EVK 可與 ON Semiconductor 在 PC 上運行的 Strata Developer Studio 集成開發環境 (IDE) 配合使用。EVK 通過 USB 電纜連接到 IDE，然后便可用來試驗 LDO 的功能——例如，啟用/禁用 LDO 以及在活動模式和低功耗模式之間切換。
EVK 和 IDE 還允許工程師配置和監視 LDO 的其他工作參數，包括輸入和輸出電壓、功耗以及器件溫度。
精心選擇 LDO 可簡化可穿戴設備的電源設計，同時確保電壓和電流穩定。通過選擇接地電流較低的 LDO 并使其輸入輸出電壓差最小化，設計人員可以實現接近開關穩壓器的效率。
選擇新一代 LDO 可進一步延長可穿戴設備的電池續航時間；此類器件的運行模式可通過專用引腳進行選擇，旨在限制可穿戴設備長時間處于休眠模式時的功耗。芯片供應商通常會為 LDO 提供配套評估工具，讓設計人員能夠以最佳設置對器件進行試驗，從而最大限度地延長電池續航時間。
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