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。

 

选型：开关稳压器还是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：LDO的重要参数

 

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2V），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。

 

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200mV。

 

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。

 

关注抑制噪声和波纹

 

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60dB至110dB之间（图2）。

 

图2：该图显示高性能LDO的PSRR频率响应：在1kHz时，良好LDO的基准值介于60dB至110dB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1.5V至1.7V的最小输入电压。

 

这对初始电池选择会有影响：单节1.2V 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3V、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：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 = 190µA x 1Ω =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500mV，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）。

 

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。

 

使用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1.5mm × 1.5mm封装，输入电压范围为0.75V至3.3V，输出范围为0.5V至3.0V。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（1.5V至3.6V）。

 

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（300mA时最大值为70mV (VOUT > 1.0V)），LDO电压开销约为250mV。该LDO可拉出300mA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60dB（1kHz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）。

 

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2mm x 2mm封装，输入电压范围为2.7V至5.5V。该LDO提供两路输出；一路的可配置范围是2.6V至3V，另一路的可配置范围是1.5V至2.8V。两路输出均可提供高达300mA的电流。对于典型的无线SoC负载，VDROPOUT在数十毫伏左右（100mA时最大值为90mV）。两个LDO均开启时，典型静态电流约为54μA。MAX8636ETA+的PSRR为60dB（1kHz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-1.8V至-20V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3mm × 3mm，输出电压高达-19.5V。输出电流可达500mA（最大值）。

 

对于100mA以下的电流，LT3094的VDROPOUT为200mV；静态电流为3μA；1kHz时PSRR为60dB；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。

 

设计实例分析

 

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1.5V至3.6V的电压输入工作。电池最初提供标称3V电压。

 

如果所选LDO的输出选定为2.5V，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190μA下工作1000小时之后，电池仍可提供约2.7V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）。

 

图5：在190μA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>2.7V电压1000 小时。（图片来源：Panasonic）

 

本文小结 

 

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。

 

原创： Digi-Key