利用高級LDO應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器電源設(shè)計挑戰(zhàn)

 

物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 在很大程度上依賴于一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用來監(jiān)測溫度、濕度、壓力、振動、加速度、空氣質(zhì)量、光強度等參數(shù)。這些無線傳感器采用短程射頻技術(shù)，例如低功耗藍牙 (Bluetooth LE) 或Zigbee，其特點是低容量、低占空比數(shù)據(jù)交換。（請參閱資料庫文章《低功耗無線技術(shù)的比較》）

 

在產(chǎn)品尺寸、成本、可靠性、穩(wěn)定性和效率方面，這些無線傳感器件的使用模型和功率分布向電源設(shè)計人員提出了獨特的挑戰(zhàn)。

 

本文將說明這些挑戰(zhàn)的來源，接著介紹最新低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器解決方案的示例，并解釋它們?yōu)楹文転闊o線物聯(lián)網(wǎng)傳感器的電源提供良好的基礎(chǔ)。本文還會提出一些指導原則，以確保設(shè)計人員能夠充分利用這些最新解決方案來提高設(shè)計成功的可能性。

 

選型：開關(guān)穩(wěn)壓器還是LDO？

 

物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器之所以對電源設(shè)計人員構(gòu)成挑戰(zhàn)，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

 

•    長時間處于低功耗休眠模式，然后快速喚醒以發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)，之后又迅速返回休眠模式

 

•    通常將射頻收發(fā)器和微控制器集成于單個芯片中

 

•    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(shè)計人員有三種選擇：開關(guān)穩(wěn)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(quán)衡利弊。

 

例如，開關(guān)穩(wěn)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于“休眠”模式時，這是一種用于節(jié)省電力的常用模式。其次，開關(guān)穩(wěn)壓器較為復雜，導致設(shè)計周期時間和潛在成本增加。此外，開關(guān)穩(wěn)壓器的高頻工作可引起電磁干擾 (EMI)，這會影響敏感的無線片上系統(tǒng) (SoC) 微控制器和收發(fā)器。最后，這種干擾也可能影響傳感器的小信號變化，從而限制測量精度。

 

相反，LDO線性穩(wěn)壓器產(chǎn)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范圍內(nèi)，LDO的效率一般要低于開關(guān)穩(wěn)壓器。另外，LDO只能用于降壓配置，而不像開關(guān)穩(wěn)壓器那樣可用于降壓/升壓拓撲。這種情況可能會限制電池的可使用容量。

 

LDO還傾向于對快速負載變化表現(xiàn)出中等程度的瞬態(tài)響應(yīng)，例如當無線收發(fā)器從休眠狀態(tài)快速上電時。這會導致電壓尖峰，可能損壞傳感器電路。

 

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

 

設(shè)計人員可以不將兩者結(jié)合使用，而是單獨選擇LDO，但要確保其運行效率滿足設(shè)計要求。兩個特性至關(guān)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(shù)

 

對于傳統(tǒng)線性穩(wěn)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。這樣會限制效率。

 

典型LDO用PNP晶體管或P型MOSFET取代了NPN晶體管或N型MOSFET，后兩種器件在傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器中用作串聯(lián)控制元件（圖1）。這改變了電路，使其成為電流源，而不是發(fā)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(tài)下工作。這與傳統(tǒng)線性穩(wěn)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(tài)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(diào)節(jié)輸出電壓。對于一款不錯的LDO，VDROPOUT通常小于200mV。

 

新一代LDO的推出為設(shè)計人員提供了更低的VDROPOUT，能夠進一步提高效率，限制休眠模式電流，以及增加電池的可使用容量。如前所述，無線傳感器大部分時間都處于休眠模式。這是為了節(jié)省電力，但處于休眠模式的時間可能達到99%，因此利用較低壓差來減小休眠模式電流參數(shù)，這對于延長電池壽命非常重要。

 

關(guān)注抑制噪聲和波紋

 

新式LDO還有更好的瞬態(tài)電壓響應(yīng)和輸入紋波濾波性能，可提供更穩(wěn)定的電源和更好的電源抑制比(PSRR)。設(shè)計人員可以通過增加輸出電容的值并降低其等效串聯(lián)電阻 (ESR) 來進一步改善LDO的瞬態(tài)響應(yīng)，同時仍要注意基底面、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）的抑制程度。PSRR沒有行業(yè)標準定義，但通常定義為電源電壓變化與其產(chǎn)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(guān)。在1千赫茲 (kHz) 時，良好LDO的基準值介于60dB至110dB之間（圖2）。

 

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

 

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

 

無線傳感器電源設(shè)計考慮因素

 

雖然新一代LDO為無線傳感器提供了一種很有前景的供電解決方案，但務(wù)必注意，在設(shè)計過程中還必須仔細考慮這些器件的特性。例如，線性穩(wěn)壓器無法反轉(zhuǎn)電源，因此，若待供電的電路需要負電壓，則需要負輸入電壓。

 

對于電池壽命非常重要的無線傳感器應(yīng)用，第二個重要考慮因素是LDO只能在降壓配置中工作。這種限制決定了電池輸入電壓必須高于傳感器電子器件所需的最高電壓。

 

在無線傳感應(yīng)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(jié)1.2V AA鎳鎘 (NiCad) 電池不在選擇范圍內(nèi)。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。這些因素都屬于電池考慮事項，不過無線傳感器應(yīng)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(wěn)定，并具有長期可靠性。

 

限制壓差電壓：提高LDO效率

 

雖然 LDO 的效率一般比開關(guān)穩(wěn)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(nèi)部電路的功耗會更低。由此還會帶來一個好處：與熱量相關(guān)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(shè)計方法是選擇適當?shù)妮斎牒洼敵鲭妷?，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余的情況下LDO進入壓差狀態(tài)，那么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(chǎn)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。對于給定的負載電流 (ILOAD)，VDROPOUT = ILOAD × RDSON。

 

對于當今LDO中使用的PNP晶體管或P型MOSFET，RDSON約等于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?shù)?。例如，無線傳感器應(yīng)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(shù)據(jù)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(shè)計人員應(yīng)注意，VDROPOUT是LDO無法再調(diào)節(jié)電源電壓的臨界點。為了滿足全部規(guī)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，但對于某些LDO，裕量可能高達1.5 V。供應(yīng)商最好在產(chǎn)品規(guī)格書中列出裕量電壓。

 

當無線傳感器處于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(tài)，LDO會繼續(xù)消耗一些電流。對于良好的LDO，該靜態(tài)電流通常處于微安級。這聽起來可能微不足道，但經(jīng)過較長時間后，這種電流消耗可能對電池壽命產(chǎn)生重大影響，特別是考慮到無線傳感器大部分時間（高達99%的時間）都處于休眠狀態(tài)，如上所述。當裝置使用數(shù)十個傳感器時，問題會變得更加嚴重。電池壽命對于避免頻繁和代價不菲的更換至關(guān)重要。

 

此外，在無線傳感器應(yīng)用中，LDO提供良好的瞬態(tài)電壓和負載響應(yīng)也很重要。在管理無線傳感器的功率預算時，關(guān)鍵因素是要確保器件在需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時能夠盡快地完成，以最大限度地減少相對較高發(fā)送/接收電流的持續(xù)時間。休眠時，無線SoC僅消耗數(shù)十納安電流，但在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時，電流迅速上升兩個數(shù)量級。

 

LDO對此的瞬態(tài)響應(yīng)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(tài)電壓響應(yīng)是無線傳感器應(yīng)用的LDO關(guān)鍵性能指標。此處所示為高性能LDO的響應(yīng)。（圖片來源：Maxim Integrated）

 

對瞬態(tài)響應(yīng)的主要影響是LDO控制反饋環(huán)路的增益帶寬。如果負載瞬態(tài)快于補償環(huán)路的響應(yīng)，便可能發(fā)生瞬時振蕩，導致EMI。在低負載無線傳感器應(yīng)用中，一個關(guān)鍵問題是在此區(qū)域中，傳統(tǒng)LDO穩(wěn)壓器會遭受環(huán)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(huán)路增益，從而改善低至零輸出電流的瞬態(tài)響應(yīng)。

 

使用LDO應(yīng)對無線傳感器挑戰(zhàn)

 

如下是調(diào)節(jié)無線傳感器電壓的LDO關(guān)鍵工作參數(shù)：

 

•    低RDSON（使工作電流范圍內(nèi)的VDROPOUT最小）

 

•    低開銷電壓

 

•    低靜態(tài)電流

 

•    良好的PSRR

 

•    良好的瞬態(tài)負載響應(yīng)

 

•    良好的低負載環(huán)路增益

 

其他重要因素包括封裝尺寸、所需外設(shè)元件的數(shù)量和成本。

 

Texas Instruments的TPS7A10 LDO是無線傳感器應(yīng)用的不錯選擇。它采用緊湊型1.5mm × 1.5mm封裝，輸入電壓范圍為0.75V至3.3V，輸出范圍為0.5V至3.0V。在額定負載、電壓和溫度變化范圍內(nèi)，穩(wěn)定性在1.5%以內(nèi)。輸出范圍恰好匹配上述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(shù)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(tài)電流只有幾微安。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(huán)路增益，從而增強瞬態(tài)響應(yīng)。

 

為了試驗目的以及幫助設(shè)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松評估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松評估TPS7A10 LDO，同時還提供散熱和布局設(shè)計指南。（圖片來源：Texas Instruments）

 

Maxim Integrated也為無線傳感器應(yīng)用提供了不錯的LDO選擇，即MAX8636ETA+。該器件采用2mm x 2mm封裝，輸入電壓范圍為2.7V至5.5V。該LDO提供兩路輸出；一路的可配置范圍是2.6V至3V，另一路的可配置范圍是1.5V至2.8V。兩路輸出均可提供高達300mA的電流。對于典型的無線SoC負載，VDROPOUT在數(shù)十毫伏左右（100mA時最大值為90mV）。兩個LDO均開啟時，典型靜態(tài)電流約為54μA。MAX8636ETA+的PSRR為60dB（1kHz時），瞬態(tài)負載響應(yīng)十分穩(wěn)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(chǎn)品尺寸為3mm × 3mm，輸出電壓高達-19.5V。輸出電流可達500mA（最大值）。

 

對于100mA以下的電流，LT3094的VDROPOUT為200mV；靜態(tài)電流為3μA；1kHz時PSRR為60dB；瞬態(tài)響應(yīng)也很穩(wěn)定。該器件可與另一個LT3094 LDO并聯(lián)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(xiàn)最佳的電路布局和物料清單(BOM)，以最大限度地降低噪聲并提高LDO的PSRR。

 

設(shè)計實例分析

 

對于采用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(diào)節(jié)選擇。例如在一個簡單的應(yīng)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(guī)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小時之后，電池仍可提供約2.7V電壓，效率提高到近93%。

 

假設(shè)電壓輸出在1000小時工作時間內(nèi)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(tài)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(jié) 

 

支持無線功能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器將繼續(xù)得到大量采用，因此設(shè)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(guān)穩(wěn)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，其相對于LDO的效率優(yōu)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(tài)負載響應(yīng)。

 

LDO還具有設(shè)計簡便、經(jīng)濟高效、體積小巧、噪聲低等特性，將其用作無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器的獨立電源值得認真考慮。然而，最大限度發(fā)揮LDO優(yōu)勢的關(guān)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(chuàng)： Digi-Key