利用高级 LDO 应对物联网无线传感器电源设计挑战

物联网 (IoT) 在很大程度上依赖于一个无线传感器网络,用来监测温度、湿度、压力、振动、加速度、空气质量、光强度等参数。这些无线传感器采用短程射频技术,例如低功耗蓝牙 (Bluetooth LE) 或 Zigbee,其特点是低容量、低占空比数据交换。(请参阅资料库文章《低功耗无线技术的比较》。)
在产品尺寸、成本、可靠性、稳定性和效率方面,这些无线传感器件的使用模型和功率分布向电源设计人员提出了独特的挑战。
本文将说明这些挑战的来源,接着介绍最新低压差 (LDO) 线性稳压器解决方案的示例,并解释它们为何能为无线物联网传感器的电源提供良好的基础。本文还会提出一些指导原则,以确保设计人员能够充分利用这些最新解决方案来提高设计成功的可能性。

开关稳压器抑或 LDO?

物联网无线传感器之所以对电源设计人员构成挑战,其原因如下:
  • 通常由尺寸不大的电池供电,但仍必须有较长的电池寿命
  • 长时间处于低功耗休眠模式,然后快速唤醒以发送和/或接收数据,之后又迅速返回休眠模式
  • 通常将射频收发器和微控制器集成于单个芯片中
  • 测量小信号变化
  • 大量部署,因此必须相对便宜且维护要求低
为了给传感器供电,设计人员有三种选择:开关稳压器、LDO 或两者的组合。这不是一个简单的选择,因为每种选择都需要权衡利弊。
例如,开关稳压器效率高,因而是延长电池寿命的不错选择。然而,在低负载时效率较低,例如当无线传感器处于“休眠”模式时,这是一种用于节省电力的常用模式。其次,开关稳压器较为复杂,导致设计周期时间和潜在成本增加。此外,开关稳压器的高频工作可引起电磁干扰 (EMI),这会影响敏感的无线片上系统 (SoC) 微控制器和收发器。最后,这种干扰也可能影响传感器的小信号变化,从而限制测量精度。
相反,LDO 线性稳压器产生的 EMI 非常少,使用起来相对简单且便宜。但是,在可变的输入电压和负载范围内,LDO 的效率一般要低于开关稳压器。另外,LDO 只能用于降压配置,而不像开关稳压器那样可用于降压/升压拓扑。这种情况可能会限制电池的可使用容量。
LDO 还倾向于对快速负载变化表现出中等程度的瞬态响应,例如当无线收发器从休眠状态快速上电时。这会导致电压尖峰,可能损坏传感器电路。
为了充分利用开关稳压器的效率及 LDO 的电压轨稳定性与强大的负载点 (POL) 输送能力,通常会将这两种方法结合起来。但是,这种拓扑会增加复杂性、成本和尺寸,以及布局和库存管理的难度。
设计人员可以不将两者结合使用,而是单独选择 LDO,但要确保其运行效率满足设计要求。两个特性至关重要:压差电压(或 VDROPOUT)和平均输入/输出电压差。

压差的重要性

对于传统线性稳压器,一旦输入/输出电压的压降达到晶体管的电压开销(约为 2 V),功能就会受到影响。这样会限制效率。
典型 LDO 用 PNP 晶体管或 P 型 MOSFET 取代了 NPN 晶体管或 N 型 MOSFET,后两种器件在传统线性稳压器中用作串联控制元件(图 1)。这改变了电路,使其成为电流源,而不是发射极(源极)跟随器。
传输元件为 P 型 MOSFET 的 LDO 示意图
图 1:LDO 中的传输元件为 P 型 MOSFET,其可以在接近饱和状态下工作。这与传统线性稳压器相比,是通过降低 VDROPOUT 来提高效率。(图片来源:Texas Instruments
P 型 MOSFET 可以在接近饱和状态下工作,因而最小输入/输出电压差大大降低。这就是“压差电压”或 VDROPOUT,此时器件可以正确调节输出电压。对于一款不错的 LDO,VDROPOUT 通常小于 200 mV。
新一代 LDO 的推出为设计人员提供了更低的 VDROPOUT,能够进一步提高效率,限制休眠模式电流,以及增加电池的可使用容量。如前所述,无线传感器大部分时间都处于休眠模式。这是为了节省电力,但处于休眠模式的时间可能达到 99%,因此利用较低压差来减小休眠模式电流参数,这对于延长电池寿命非常重要。

抑制噪声和波纹

新式 LDO 还有更好的瞬态电压响应和输入纹波滤波性能,可提供更稳定的电源和更好的电源抑制比 (PSRR)。设计人员可以通过增加输出电容的值并降低其等效串联电阻 (ESR) 来进一步改善 LDO 的瞬态响应,同时仍要注意基底面、体积和成本。
PSRR 可衡量电路对电源输入上外来信号(噪声和纹波)的抑制程度。PSRR 没有行业标准定义,但通常定义为电源电压变化与其产生的等效(差分)输出电压之比(以分贝 (dB) 为单位)。
PSRR 与频率相关。在 1 千赫兹 (kHz) 时,良好 LDO 的基准值介于 60 dB 至 110 dB 之间(图 2)。
显示 PSRR 频率响应的曲线图
图 2:该图显示高性能 LDO 的 PSRR 频率响应:在 1 kHz 时,良好 LDO 的基准值介于 60 dB 至 110 dB 之间。(图片来源:Analog Devices
对于电池供电的直流 (DC) 输入(例如无线传感器可能使用的输入),外来信号出现的可能性要比使用 AC 电源时小得多,但仍可能存在。对于此类应用,具有良好 PSRR 的 LDO 能确保电压稳定性,是值得投资的选择。

无线传感器电源设计考虑因素

虽然新一代 LDO 为无线传感器提供了一种很有前景的供电解决方案,但务必注意,在设计过程中还必须仔细考虑这些器件的特性。例如,线性稳压器无法反转电源,因此,若待供电的电路需要负电压,则需要负输入电压。
对于电池寿命非常重要的无线传感器应用,第二个重要考虑因素是 LDO 只能在降压配置中工作。这种限制决定了电池输入电压必须高于传感器电子器件所需的最高电压。
在无线传感应用中,如果典型 Bluetooth LE SoC(例如 Dialog Semiconductor 的 DA14585 或 Nordic Semiconductor 的 nRF52832)由降压配置的电源供电,则需要 1.5 V 至 1.7 V 的最小输入电压。
这对初始电池选择会有影响:单节 1.2 V AA 镍镉 (NiCad) 电池不在选择范围内。它还会影响总的电池可使用容量,因为当电压降至无线 SoC 所需的最小值以下时,电池可能仍有一些电量。这些因素都属于电池考虑事项,不过无线传感器应用的常见选择是 Panasonic 的 3 V、225 毫安时 (mAh) CR2032 锂锰纽扣电池。该电池的特点是重量轻(2.9 克),放电特性出色,放电期间电压稳定,并具有长期可靠性。

限制压差电压以提高 LDO 效率

虽然 LDO 的效率一般比开关稳压器低,但随着输入和输出电压之间的差异减小,其效率会提高;效率 = VOUT/VIN。这其中的原因是,当电压差较小时,LDO 内部电路的功耗会更低。由此还会带来一个好处:与热量相关的问题会大大减少。在足够小的电压差下,LDO 能以 95% 至 99% 的效率运行。
一种不错的设计方法是选择适当的输入和输出电压,在效率与电池可使用容量之间进行取舍。如果在电池仍有大量能量剩余的情况下 LDO 进入压差状态,那么通过缩小输入和输出电压之间的差距来最大化效率,这是毫无意义的。
这样会导致一个问题:LDO 何时产生压差?在 VDROPOUT 时,LDO 传输元件(P 型 MOSFET 的 PNP 晶体管)充当电阻器,其值与晶体管漏源导通电阻 (RDSON) 相等。对于给定的负载电流 (ILOAD),VDROPOUT = ILOAD × RDSON。
对于当今 LDO 中使用的 PNP 晶体管或 P 型 MOSFET,RDSON 约等于 1 欧姆 (Ω)。好消息是,典型无线传感器的工作电流不大,因此 VDROPOUT 相当低。例如,无线传感器应用的典型平均电流负载为 190 微安 (μA)。因此,VDROPOUT = 190 µA x 1 Ω = 190 微伏 (µV)。在无线数据传输期间,无线 SoC 的 ILOAD 峰值可能是 7.5 毫安 (mA),这会将 VDROPOUT 提高到 7.5 毫伏 (mV)。虽然更显著,但相对而言仍然很低。
然而,设计人员应注意,VDROPOUT 是 LDO 无法再调节电源电压的临界点。为了满足全部规格要求,LDO 通常需要额外的“裕量电压”。此裕量通常会使 VDROPOUT 增加 250 至 500 mV,但对于某些 LDO,裕量可能高达 1.5 V。供应商最好在产品规格书中列出裕量电压。
当无线传感器处于超低功耗休眠模式时,它几乎不需要电流便能保持“激活”状态,LDO 会继续消耗一些电流。对于良好的 LDO,该静态电流通常处于微安级。这听起来可能微不足道,但经过较长时间后,这种电流消耗可能对电池寿命产生重大影响,特别是考虑到无线传感器大部分时间(高达 99% 的时间)都处于休眠状态,如上所述。当装置使用数十个传感器时,问题会变得更加严重。电池寿命对于避免频繁和代价不菲的更换至关重要。
此外,在无线传感器应用中,LDO 提供良好的瞬态电压和负载响应也很重要。在管理无线传感器的功率预算时,关键因素是要确保器件在需要发送或接收数据时能够尽快地完成,以最大限度地减少相对较高发送/接收电流的持续时间。休眠时,无线 SoC 仅消耗数十纳安电流,但在发送或接收数据时,电流迅速上升两个数量级。
LDO 对此的瞬态响应定义为负载电流快速变化下的输出电压变化(图 3)。
对输出负载快速变化的瞬态电压响应图
图 3:对输出负载快速变化的瞬态电压响应是无线传感器应用的 LDO 关键性能指标。此处所示为高性能 LDO 的响应。(图片来源:Maxim Integrated
对瞬态响应的主要影响是 LDO 控制反馈环路的增益带宽。如果负载瞬态快于补偿环路的响应,便可能发生瞬时振荡,导致 EMI。在低负载无线传感器应用中,一个关键问题是在此区域中,传统 LDO 稳压器会遭受环路增益较低的影响。一些较新的 LDO 采用低电流模式电路,在超低或无负载情况下提高环路增益,从而改善低至零输出电流的瞬态响应。

LDO 应对无线传感器挑战

如下是调节无线传感器电压的 LDO 关键工作参数:
  • 低 RDSON(使工作电流范围内的 VDROPOUT 最小)
  • 低开销电压
  • 低静态电流
  • 良好的 PSRR
  • 良好的瞬态负载响应
  • 良好的低负载环路增益
其他重要因素包括封装尺寸、所需外设元件的数量和成本。
Texas Instruments 的 TPS7A10 LDO 是无线传感器应用的不错选择。它采用紧凑型 1.5 mm × 1.5 mm 封装,输入电压范围为 0.75 V 至 3.3 V,输出范围为 0.5 V 至 3.0 V。在额定负载、电压和温度变化范围内,稳定性在 1.5% 以内。输出范围恰好匹配上述 Dialog Semiconductor 或 Nordic Semiconductor 示例的输入电压要求(1.5 V 至 3.6 V)。
在典型的无线传感器工作条件下,TI 芯片的 VDROPOUT 仅为数十毫伏(300 mA 时最大值为 70 mV (VOUT > 1.0 V)),LDO 电压开销约为 250 mV。该 LDO 可拉出 300 mA 的电流,静态电流只有几微安。TI 还建议通过 LDO 为模拟传感器中使用的处理器提供较低的核心电压。该 LDO 的 PSRR 为 60 dB(1 kHz 时)。TI 通过整合低电流模式电路来提高超低负载下的环路增益,从而增强瞬态响应。
为了试验目的以及帮助设计起步,TI 还提供了 TPS7A10EVM-004 评估模块。该模块具有单个 LDO,工程师可以在各种工作条件下轻松评估 TPS7A10 的操作和性能(图 4)。
Texas Instruments 的 TPS7A10EVM-004 评估模块图片
图 4:TI 的 TPS7A10EVM-004 评估模块使得工程师可以轻松评估 TPS7A10 LDO,同时还提供散热和布局设计指南。(图片来源:Texas Instruments)
Maxim Integrated 也为无线传感器应用提供了不错的 LDO 选择,即 MAX8636ETA+。该器件采用 2 mm x 2 mm 封装,输入电压范围为 2.7 V 至 5.5 V。该 LDO 提供两路输出;一路的可配置范围是 2.6 V 至 3 V,另一路的可配置范围是 1.5 V 至 2.8 V。两路输出均可提供高达 300 mA 的电流。对于典型的无线 SoC 负载,VDROPOUT 在数十毫伏左右(100 mA 时最大值为 90 mV)。两个 LDO 均开启时,典型静态电流约为 54 μA。MAX8636ETA+ 的 PSRR 为 60 dB(1 kHz 时),瞬态负载响应十分稳定。
如果需要负电压轨,Analog Devices 的 LT3094 超低噪声、超高 PSRR LDO 便是不错的选择。除了 -1.8 V 至 -20 V 的负电压输入外,其他特性与 TI 和 Maxim Integrated 器件类似。产品尺寸为 3 mm × 3 mm,输出电压高达 -19.5 V。输出电流可达 500 mA(最大值)。
对于 100 mA 以下的电流,LT3094 的 VDROPOUT 为 200 mV;静态电流为 3 μA;1 kHz 时 PSRR 为 60 dB;瞬态响应也很稳定。该器件可与另一个 LT3094 LDO 并联工作以降低噪声。
Analog Devices 为 LT3094 提供了一个演示板,即 DC2624A,它可作为有用的指南器件,帮助用户实现最佳的电路布局和物料清单 (BOM),以最大限度地降低噪声并提高 LDO 的 PSRR。

实际实施范例

对于采用 SoC 的无线传感器(例如上述 Dialog 或 Nordic Semiconductor 器件),TI、Maxim 和 Analog Devices 的 LDO 都是不错的电压调节选择。例如在一个简单的应用中,SoC 是电池电量的主要消耗者,所选电池为 Panasonic CR2032。无线 SoC 采用 1.5 V 至 3.6 V 的电压输入工作。电池最初提供标称 3 V 电压。
如果所选 LDO 的输出选定为 2.5 V,则无线 SoC 的输入电压规格能得到满足。当电池充满电(即提供 3 V)时,LDO 的效率为 83%;在 20˚C 以及平均无线传感器工作电流 190 μA 下工作 1000 小时之后,电池仍可提供约 2.7 V 电压,效率提高到近 93%。
假设电压输出在 1000 小时工作时间内大致呈线性降低,则 LDO 的平均效率(在恒定的 190 μA 负载下)为 88%。进入压差状态之前,大约 74%(平均效率 88% x 84% 的可使用容量)的电池能量已用来为传感器供电(图 5)。
典型无线传感器平均电流负载下 CR2032 电池的曲线图
图 5:在 190 μA 的典型无线传感器平均电流负载和 20°C 的工作温度下,CR2032 电池可维持 >2.7 V 电压 1000 小时。(图片来源:Panasonic)

总结

支持无线功能的物联网传感器将继续得到大量采用,因此设计工程师考虑如何最大限度地降低功耗(包括工作时和休眠模式下)就变得十分重要。
虽然开关稳压器一般来说效率更高,但在无线传感器件的功率分布和使用模式下,其相对于 LDO 的效率优势迅速减弱。此外,新一代 LDO 正在缩小效率差距,同时还带来更高的 PSRR 和更快的瞬态负载响应。
LDO 还具有设计简便、经济高效、体积小巧、噪声低等特性,将其用作无线物联网传感器的独立电源值得认真考虑。然而,最大限度发挥 LDO 优势的关键是选择一个与无线传感器电子器件的电压和电流要求更紧密相配的 LDO。

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