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知道低Iq LDO 对于可穿戴设备实现长电池寿命有多重要么?

关键词:LDO 可穿戴设备 电池寿命

时间:2022-10-25 10:48:22      来源:Digi-Key

采用具有低静态电流 (Iq) 的线性低压差稳压器 (LDO),虽然可以延长可穿戴设备和无线物联网 (IoT) 设备的电池寿命,但存在性能权衡问题,具体包括瞬态响应、噪声性能和输出功率范围。此外,静态电流有时与关断或禁用电流 (Id) 相混淆。这是两种不同的电流,且需要在二者之间取得平衡。当然,如果整个系统设计没有针对低功耗运行进行优化,单纯优化 Iq 和 Id 是没有多大用处的。

采用具有低静态电流 (Iq) 的线性低压差稳压器 (LDO),虽然可以延长可穿戴设备和无线物联网 (IoT) 设备的电池寿命,但存在性能权衡问题,具体包括瞬态响应、噪声性能和输出功率范围。此外,静态电流有时与关断或禁用电流 (Id) 相混淆。这是两种不同的电流,且需要在二者之间取得平衡。当然,如果整个系统设计没有针对低功耗运行进行优化,单纯优化 Iq 和 Id 是没有多大用处的。

在本文中,我们将区分 Iq 和 Id,并简要讨论每种电流对功率耗散的影响。然后,我们将回顾其中的几种性能权衡,最后介绍 Microchip 和 Texas Instruments 的一些典型 LDO 以及演示板。

静态和关断之间的区别

准备就绪就是静态和关断之间的区别。静态下,系统处于低功耗、激活状态,可随时投入运行。关断期间(有时被称为禁用模式),系统处于睡眠状态,不能立即运行。这种区别在电池供电型系统中特别重要,如无线锁会长时间(通常 >99% 的时间)处于待机状态,并且其待机和激活电流消耗之间的差异很大(图 1)。静态电流可用于计算轻负载下的功率,而关断电流可用于确定电池的长期寿命。


图 1:对于许多诸如无线锁之类的无线物联网设备来说,其激活和待机状态下的电流消耗存在很大差异。(图片来源:Texas Instruments)

在 LDO 等设备中,Iq 和 Id 之间可能存在很大差异。例如,LDO 的 Iq 为 25 nA,Id 为 3 nA。另一种情况下,LDO 的 Iq 为 0.6 μA,Id 为 0.01 μA。当然,事情并非如此简单:

· 工作温度会影响 Iq 和 Id。对于长期在较高温度下使用的器件,这可能是一个重要考虑因素。
· 低 Iq 器件对动态负载变化的响应时间可能会更长。这个因素在不同的 LDO 之间变化很大。
· 低 Iq 器件可能会产生内部噪声,这在噪声敏感型应用中可能是重要考虑因素。
· 即使是 LDO 也会严重发热,因此在布局和热管理方面必须遵循数据手册中的指导原则。否则,Iq 和 Id 的性能可能会受影响。
· Iq 最低不一定是最好的选择。如果 Iq 和导通电流消耗之间的差异大于两个数量级,则成本较低、Iq 较高的 LDO 可能是不错的选择。

150 mA 低 Iq LDO 和演示板

在设计使用单个锂离子电池的系统时,如果需要一个额定输入电压为 1.4 V 至 6.0 V、输出电流高达 150 mA 的 LDO,则可以考虑诸如 Microchip Technology 提供的 MCP1711 等 LDO 器件。该器件的典型 Iq 为 0.6 μA,Id 为 0.01 μA。启用关断模式时,输出电容通过 MCP1711 中的专用开关放电,以迅速将输出电压降为零。MCP1711 的环境工作温度范围为 -40℃ 至 +85℃。

为了探索 MCP1711 在很宽的输入电压和负载范围内的工作情况,设计者可使用 ADM00672 演示板,其中包括两种电压和两种封装选择。

· 1.8 Vout,输入范围为 3.2 V 至 6.0 V,采用五引线 SOT-23 封装
· 3.3 Vout,输入范围为 4.0 V 至 6.0 V,采用四引线 1x1 UQFN 封装。

该演示板包含两个可独立测试的隔离电路(图 2)。


图 2:MCP1711 演示板包括两个独立电路,分别提供 1.8 V(顶部)和 3.3 V 电压(底部)。(图片来源:Microchip Technology)

快速瞬态响应和低 Iq

如果快速瞬态响应和低 Iq 对系统有益,则设计者可采用 Texas Instruments 的 TPS7A02。该器件的额定电流为 200 mA,Iq 为 25 nA,Id 为 3 nA。该器件支持 0.8 V 至 5.0 V 输出电压,可按 50 mV 步长进行设定。该 LDO 的典型瞬态响应少于为 10 μs 建立时间,且对于从 1 mA 到 50 mA 的阶梯式负载变化,有 100 mV 下冲。如图 3 所示,其响应特性在负载增加和减少时不同。TPS7A02 的指定结温为 -40°C 至 +125℃。


图 3:TPS7A02 的动态负载响应特性在负载增加(左)和减少(右)时有所不同。(图片来源:Texas Instruments)

结语

Iq 是在设计长电池寿命时需要考虑的一个重要参数,但只是需要考虑的几个因素之一。根据器件的工作状况和功耗模式,Id 同样是重要考虑因素。有诸如工作温度等多种因素会影响 Iq 和 Id,并且这两个值有一个最佳范围。小并非总是好事。

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