Använd LDO-regulatorer med lågt bortfall för att förlänga batteritiden i bärbar teknik

Switchade spänningsregulatorer har hög verkningsgrad, vilket gör dem till ett populärt alternativ för att förlänga batteritiden hos strömförsörjningssystem i bärbar teknik. Men de kan orsaka elektriskt brus och det är ibland ganska svårt att införa dem i konstruktionen på ett bra sätt. Dessutom är de utrymmeskrävande och relativt dyra.

I jämförelse ger linjära regulatorer rippelfri utmatning och är samtidigt enkla, kompakta och prisvärda. Över ett bredare lastområde är de dock vanligtvis inte lika effektiva som switchade regulatorer, vilket påverkar batteritiden. Men genom att använda en linjär LDO-regulator (där LDO står för low dropout, dvs. lågt bortfall) och optimera enhetens utmatning så att den drivs inom det effektivaste området, kan konstruktörerna i stort sett matcha den switchade regulatorns verkningsgrad.

Men ett problem kvarstår: Bärbar teknik är utformad för att under långa perioder vara i ett standbyläge med låg effektförbrukning, för att spara på batteriet. Även i sådana standbylägen drar LDO-regulatorn en viss mängd ström. Strömförbrukningen är visserligen låg, men den förkortar slutproduktens batteritid.

En ny generation av LDO-enheter löser det här problemet. De nya enheterna gör det möjligt för konstruktörerna att justera utgångsströmmen och spänningsfallet för att minimera den interna effektavledningen när den bärbara produkten är i lågeffektsläge.

I den här artikeln beskriver vi hur man väljer LDO-regulatorer för bärbar teknik. Vi förklarar också hur en ny generation av LDO-regulatorer kan användas för att få maximal verkningsgrad utan att användarupplevelsen försämras.

LDO eller switchad regulator?

Valet av regulator är viktigt när man designar strömförsörjning för bärbar teknik. Utvecklaren kan välja mellan en switchad regulator eller en LDO-regulator. Var och en av enheterna har specifika fördelar och nackdelar, vilket kan göra det knepigt att välja rätt sort för tillämpningen i fråga – se Förstå fördelarna och nackdelarna med linjära regulatorer.

Egenskaperna hos bärbar teknik innebär ett antal designutmaningar som gör urvalsprocessen ännu svårare:

• Små batterier för att göra produkten kompakt
• Krav på lång batteritid
• Behov av stabil strömförsörjning till strömkänslig elektronik
• Snabb aktivering från viloläget, för att förbättra användarupplevelsen

En effektiv switchad regulator kan användas för att tillgodose behovet av lång batteritid, men en klar nackdel är de relativt höga nivåerna av elektromagnetiska störningar (EMI) som orsakas av regulatorns högfrekvensdrift. Störningarna kan påverka produktens känsliga microcontroller och sändtagare.

Man kan lösa problemet genom att använda en switchad regulator för spänningsomvandling och seriekoppla en LDO för att minimera utgående spännings- och strömrippel från enheten. Den lösningen ger dock en komplicerad topologi, högre kostnad och större storlek på strömförsörjningen.

Ett annat sätt är att använda en LDO för att få stabil spänningsförsörjning och att maximera verkningsgraden genom att välja en enhet med låg intern effektavledning samt att minimera skillnaden mellan regulatorns inspänning och utspänning.

Beräkna LDO-regulatorns verkningsgrad

En LDO-regulators verkningsgrad beror på jordströmmen (I_GND) samt den ingående och den utgående spänningen (V_IN och V_OUT). Följande formel används:

Verkningsgrad = I_OUT/(I_OUT + I_GND) × V_OUT/V_IN × 100 %

I_GND är den ström som krävs för att driva LDO-regulatorns interna kretsar (och värdet är skillnaden mellan den ingående och den utgående strömmen). En betydande del av denna utgörs av LDO-regulatorns vilström (I_Q), vilket är den ström som krävs för att driva LDO-regulatorns interna kretsar när den externa lastströmmen är nära noll. Den innefattar exempelvis drivströmmen för felförstärkaren, utspänningsdelaren samt överströms- och temperaturavkänningskretsarna.

I_GND och I_Q är viktiga specifikationer på LDO-regulatorns datablad, eftersom de kan inverka väsentligt på verkningsgraden. Ett exempel på en LDO som passar för att driva en bärbar produkt är Microchips MCP1811BT-028/OT. Den har specifikationerna: I_GND = 180 µA (vid I_OUT = 300 mA) och I_Q = 250 nA. I_Q (och därmed I_GND) ökar med högre värden på I_OUT. Förhållandet är tydligt, vilket också framgår av STMicroelectronics LDL112 (figur 1).

Figur 1: Diagrammet visar tydligt förhållandet mellan lastström och vilström hos STMicroelectronics LDL112 LDO. (Bildkälla: STMicroelectronics)

För en LDO-regulator som klarar typiska laster (t.ex. hundratals milliampere) hos en bärbar produkt som spelar in och överför data, är I_GND relativt låg jämfört med I_OUT. Den främsta faktorn för att bestämma verkningsgraden blir då skillnaden mellan den ingående och den utgående spänningen.

Verkningsgraden hos en LDO med ett V_IN på 5 volt och ett V_OUT på 3,3 volt är 66 %. Värdet stiger till hela 91,7 % om matningen minskas till 3,6 volt. LDO-regulatorns effektförbrukning kan beräknas med formeln: P = (V_IN - V_OUT) x I_OUT.

Men att öka LDO-enhetens verkningsgrad genom att minimera skillnaden mellan den ingående och den utgående spänningen kan bara göras till en viss gräns, eftersom enheten slutar att reglera utspänningen korrekt om en viss lägsta gräns passeras. Denna lägsta gräns är den så kallade spänningsfallgränsen (V_DROPOUT). Hos en modern enhet som STMicroelectronics LDL112, är V_DROPOUT 350 millivolt (vid utmatningen 3,3 volt, 1 A).

Utvecklaren bör notera att V_DROPOUT är den punkt vid vilken LDO-regulatorn inte längre kan reglera spänningen korrekt. För att uppfylla specifikationen behöver LDO-regulatorn ytterligare ”spänningsmån”, vanligen ca 250–500 mV adderat till V_DROPOUT, men för vissa LDO-regulatorer så mycket som 1,5 volt. V_DROPOUT och den extra spänningsmånen måste beaktas när man beräknar skillnaden mellan den ingående och den utgående spänningen.

Mer information om att utforma en LDO-regulator för batteridrivna enheter finns i Använda avancerade LDO:er för att klara designutmaningar avseende strömförsörjning i trådlösa IoT-system.

Optimera LDO-prestanda

Som visades ovan, är det ”god utvecklingssed” att minimera spänningsskillnaden över LDO-enheten i system med effektbegränsningar, eftersom lägre strömförbrukning kan förlänga batteritiden avsevärt. Men vid behov finns det ännu fler åtgärder att överväga.

Värt att se över är den effektavledning som inträffar när en bärbar produkt är i sitt viloläge, dvs. de perioder då enheten inte använder microcontrollern, sändtagaren eller GPS-funktionerna. I viloläget är slutproduktens strömförbrukning låg, men LDO-regulatorn måste fortfarande vara aktiv, för att minimera fördröjningen då användaren väljer att aktivera produkten genom att trycka på en knapp eller en touchdisplay.

I viloläget är produktens I_OUT lågt, vilket innebär att I_GND har större betydelse för verkningsgraden än när produkten används. Eftersom lasten är låg är den faktiska strömförbrukningen inte så stor. Däremot är den kontinuerlig och pågår oavbrutet under längre perioder, vilket påverkar batteritiden. Därför är det god designsed att välja en LDO-regulator som uppfyller specifikationen och samtidigt erbjuder lägsta möjliga strömförbrukning, så att förlusterna minimeras vid lågt I_OUT.

De flesta moderna LDO-regulatorer har till och med en funktion för att sätta enheten i ett ”avstängt läge” genom att sänka värdet på ett visst stift. Det gör att lasten kopplas från helt, vilket begränsar I_OUT till endast I_GND.

Till exempel har Microchips MCP1811A en avstängningsingång (”SHDN”) som används för att stänga av och starta LDO-regulatorns utspänning (figur 2). Enheten drivs av en inspänning på 1,8–5,5 volt, och erbjuder nio fasta utspänningar i området 1–4 volt. LDO-regulatorn har ett V_DROPOUT på 400 mV, levererar en maximal utström på 150 mA, ett I_Q på 250 nA och ett I_GND på 80 µA (vid I_OUT = 150 mA, V_IN = 5 volt, V_OUT = 4 volt).

Figur 2: Microchips MCP1811A har ett avstängningsläge. Svarstiden för högt värde på SHDN-stiftet och leverans av den reglerade spänningen varierar mellan 600 µs och 1400 µs. (Bildkälla: Microchip Technology)

Vid högt ingångsvärde på SHDN (minst 70 % av V_IN) aktiveras LDO-utgången och enheten levererar reglerad spänning. När SHDN-ingångsvärdet blir lågt (maximalt 20 % av V_IN), stängs den reglerade spänningen av och LDO-regulatorn går in i ett avstängningsläge där typiskt värde för I_Q är 10 nA och I_GND ca 2 µA.

Fördelen med att kunna aktivera ett avstängningsläge för MCP1181A är de uppenbara strömbesparingarna. Nackdelen är starttidens inverkan på systemresponsen. För att säkerställa att LDO-regulatorn inte slås på (och därmed slösar batteriladdning) om det uppstår brusspikar på SHDN-stiftet, har avstängningskretsen en 400 μs lång fördröjning på den ingående SHDN-signalens stigsida, innan regulatorn slås på. Det här är bra i funktionshänseende, men inverkar på responsen. Om den ingående SHDN-signalen förblir hög även efter den förinställda fördröjningen, börjar regulatorn ladda lastkondensatorn och utsignalen stiger från 0 volt till det slutliga reglerade värdet. Den totala tiden från SHDN-ingångens aktivering till dess att utgången levererar den reglerade spänningen, är summan av den inbyggda fördröjningstiden 400 μs och utgångsspänningens stigtid. Denna stigtid beror på V_OUT och kan variera från 200 μs upp till 1 000 μs.

Även ON Semiconductors LDO NCP171 i dual-mode XDFN4-kapsel, kan sättas i ett avstängningsläge, med låga värden (under 0,4 volt) på ENA-stiftet. LDO-regulatorn har ett fast utspänningsområde på 0,6–3,3 volt från inspänningsområdet 1,7–5,5 volt och ett V_DROPOUT på 110 mV. I NCP171 används ett mer avancerat sätt att uppnå förlängd batteritid. Metoden förbättrar responsen vid omkoppling från ett lågeffektsläge till utmatning av den reglerade spänning som krävs för normal drift.

I det aktiva läget kan LDO-regulatorn leverera upp till 80 mA, men i lågeffektsläget stängs inte LDO-enhetens reglerade utspänning av – i stället begränsas I_OUT till högst 5 mA. Eftersom en annan del av LDO-enheten används för regleringen, minskar I_GND väsentligt, så att batteritiden ökar. Lågeffektsläget (och det aktiva läget) kan väljas via LDO-enhetens ECO-stift (figur 3).

Figur 3: Via ECO-stiftet kan ON Semiconductors NCP171 kopplas om från aktivt läge till lågeffektsläge. I lågeffektsläget är I_OUT högst 5 mA, och I_GND minskar väsentligt. (Bildkälla: ON Semiconductor)

När ECO-stiftet sänks (till jord) kopplar LDO-regulatorn om till lågeffektsläget. I_Q minskar från 55 µA till 50 nA. Även I_GND minskar betydligt: I det aktiva läget är I_GND = 420 µA (I_OUT = 80 mA) och i lågeffektsläget är I_GND = 2,5 µA (I_OUT = 5 mA). Effektavledningen i lågeffektsläget är endast marginellt högre än när enheten är i ett avstängningsläge. Effektförbrukningen i lågeffektsläget kan minskas ytterligare, genom att i det aktiva läget minska den nominella utspänningen med någon av de internt programmerade offset-inställningarna för 50, 100, 150 och 200 millivolt.

Den främsta fördelen med lågeffektsläget är svarstiden efter kommando om normal reglerad spänning. När ECO-stiftets spänning ökar (till nära V_OUT) kopplas enheten om till aktivt läge, och NCP171 LDO återställs till reglerad spänning och ett I_OUT-värde på högst 80 mA inom 100 µs (figur 4).

Figur 4: När NCP171 kopplar om från lågeffektsläget till det aktiva läget återställs den reglerade spänningen inom mindre än 100 µs. (Bildkälla: ON Semiconductor)

Som standard är NCP171 i aktivt läge vid start, oavsett ECO-stiftets status. Därmed kan den snabbt nå utspänningsnivån och stabiliseras där. Varaktigheten för detta aktiva läge är vanligen 35 ms, och detta säkerställer snabb laddning av utkondensatorn och snabb ökning av I_OUT för att möta lastkraven.

Det finns vissa nackdelar med lågeffektsläget: PSRR (power supply rejection ratio) – ett mått på LDO-regulatorns förmåga att undertrycka spänningsstörningar – är lägre och det elektriska bruset något högre (figur 5).

Figur 5: Generellt är PSRR lägre när NCP171 är i lågeffektsläget, jämfört med när enheten är i det aktiva läget. (Bildkälla: ON Semiconductor)

NCP171 LDO åtföljs av utvärderingssatsen STR-NCP171-EVK. Den är utformad för att användas med ON Semiconductors Strata Developer Studio-IDE (integrated development environment), som körs på PC. Utvärderingssatsen ansluts till IDE-miljön via en USB-kabel och kan sedan användas för att experimentera med LDO-regulatorns förmågor – exempelvis genom att aktivera/stänga av regulatorn och växla mellan aktivt läge och lågeffektsläge.

Med utvärderingssatsen och IDE-miljön kan utvecklaren konfigurera och övervaka andra LDO-parametrar, såsom inspänning och utspänning, effektavledning och enhetens temperatur.

Slutsats

En omsorgsfullt utvald LDO-regulator förenklar strömförsörjningssystemet i bärbara produkter, och ger stabil spänning och ström. Genom att välja en LDO med låg jordström, och minimera skillnaden mellan den ingående och utgående spänningen, kan utvecklaren uppnå i stort sett samma verkningsgrad som med en switchad regulator.

Batteritiden kan förbättras ytterligare om man väljer någon av den senaste generationens LDO-regulatorer. Dessa har olika driftlägen som kan väljas med ett dedikerat stift och är designade för att begränsa strömförlusten medan produkten är i viloläget under längre perioder. LDO-regulatorerna levereras vanligen med utvärderingsverktyg som gör det möjligt att experimentera fram optimala inställningar för att maximera batteritiden.