Użycie regulatorów niskoupływowych LDO do wydłużenia czasu pracy baterii w projektach urządzeń ubieralnych

Przełączające regulatory napięcia charakteryzują się wysoką sprawnością, dzięki czemu są chętnie i często stosowane w projektach zasilaczy urządzeń ubieralnych w celu wydłużenia czasu pracy baterii. Ale takie regulatory mogą powodować zakłócenia elektryczne, są skomplikowane w projektowaniu, zajmują dużo miejsca i są stosunkowo drogie.

Dla porównania, regulatory liniowe zapewniają wyjście bez tętnień i są proste, kompaktowe oraz niedrogie. Jednak w szerokim zakresie obciążeń są one zazwyczaj mniej wydajne niż regulatory przełączające, co wpływa na żywotność baterii. Mimo to, dzięki zastosowaniu liniowego regulatora LDO (często nazywanego po prostu „LDO”) i optymalizacji mocy wyjściowej urządzenia w celu zapewnienia, że działa ono w obszarze najwyższej sprawności, inżynierowie mogą osiągnąć ogólną sprawność zbliżoną do regulatora przełączającego.

Kluczowym problemem pozostaje jednak to, że urządzenia ubieralne są zaprojektowane tak, aby spędzać dużo czasu w trybie czuwania o niskim poborze mocy, co pozwala wydłużyć czas użytkowania baterii. Nawet w tych trybach istnieje mierzalny wewnętrzny pobór prądu przez LDO. Wprawdzie pobór prądu jest niewielki, to jednak skraca żywotność baterii produktu końcowego. Nowa generacja regulatorów LDO rozwiązuje ten problem. Korzystając z tych urządzeń, inżynierowie mogą regulować prąd wyjściowy i spadek napięcia, aby zminimalizować wewnętrzne rozpraszanie mocy, gdy urządzenie ubieralne pracuje w trybie niskiej mocy. Ten artykuł demonstruje sposób doboru regulatora LDO do zasilania urządzenia ubieralnego. Następnie wyjaśniono w nim, w jaki sposób można wykorzystać nową generację LDO, aby zmaksymalizować wydajność bez uszczerbku dla wrażeń z użytkowania.

LDO czy regulator przełączający?

Kluczową decyzją w procesie projektowania zasilacza do urządzeń ubieralnych jest wybór regulatora. Inżynier stoi przed wyborem regulatora przełączającego lub LDO. Każdy z nich ma zalety i wady, które mogą sprawić, że decyzja, który użyć w konkretnym zastosowaniu będzie trudna - patrz: Zrozumienie zalet i wad regulatorów liniowych.

Urządzenia ubieralne niosą ze sobą szereg wyzwań projektowych, które jeszcze bardziej utrudniają proces doboru:

• Zastosowanie miniaturowych baterii w celu uzyskania zwartej budowy
• Wymóg długiego okresu użytkowania baterii
• Potrzeba stabilnego zasilania układów elektronicznych wrażliwych na parametry energii
• Szybkie wybudzenie ze stanu uśpienia w celu zwiększenia komfortu użytkowania

Wydajny regulator przełączający może zaspokoić zapotrzebowanie na żywotność baterii, ale główną wadą jest stosunkowo wysoki poziom zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) spowodowanych pracą regulatora na wysokich częstotliwościach, które mogą zakłócić czuły mikrokontroler i nadajniko-odbiornik. Problem ten można rozwiązać poprzez zastosowanie regulatora przełączającego do konwersji napięcia i dodanie szeregowo regulatora LDO w celu zminimalizowania tętnień napięcia i prądu na wyjściu urządzenia. Jednak taka topologia podnosi złożoność i koszty oraz zwiększa rozmiary zasilacza.

Alternatywnym podejściem jest zastosowanie regulatora LDO w celu zapewnienia stabilnego napięcia zasilania i zmaksymalizowania sprawności poprzez wybór urządzenia o niskiej wewnętrznej mocy rozpraszanej i zminimalizowanie różnicy pomiędzy napięciami wejściowymi i wyjściowymi regulatora.

Obliczanie sprawności regulatora LDO

Sprawność LDO jest określana na podstawie prądu uziemienia (IGND) oraz napięć wejściowych i wyjściowych (VIN i VOUT). Wzór na obliczenie sprawności jest następujący:

Sprawność = I_OUT/(I_OUT + I_GND) × V_OUT/_VIN × 100%

I_GND to prąd wymagany do obsługi wewnętrznych obwodów regulatora LDO (będący różnicą pomiędzy prądami wejściowymi i wyjściowymi). Kluczowym elementem tego jest prąd spoczynkowy (I_Q) regulatora, który jest prądem wymaganym do zasilania wewnętrznych obwodów LDO, gdy zewnętrzny prąd obciążenia jest bliski zeru. Obejmuje on m.in. prąd roboczy wzmacniacza błędu, dzielnik napięcia wyjściowego oraz obwody nadprądowe i pomiaru temperatury.

Ze względu na ich wpływ na sprawność, I_GND oraz I_Q są kluczowymi specyfikacjami na arkuszu danych regulatora LDO. Na przykład, produkt nadający się do zasilania urządzeń ubieralnych, jak np. regulator LDO Microchip MCP1811BT-028/OT, ma wartości I_GND = 180 mikroamperów (µA) (przy I_OUT = 300 miliamperów (mA)) oraz I_Q = 250 nanoamperów (nA). IQ (a zatem I_GND) wzrasta wraz ze wzrostem I_OUT. Zależność ta jest wyraźnie pokazana w odniesieniu do układu LDL112 firmy STMicroelectronics (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Wykres ten przedstawia wyraźną zależność między prądem obciążenia a prądem spoczynkowym dla regulatora LDO LDL112 firmy STMicroelectronics. (Źródło obrazu: © STMicroelectronics)

Dla regulatora LDO odpowiadającego obciążeniom typowym dla urządzeń noszonych, czyli zapisu i transmisji danych (np. kilkaset miliamperów), prąd I_GND jest stosunkowo nieznaczny w porównaniu z I_OUT, dlatego kluczowym czynnikiem determinującym sprawność jest różnica napięcia pomiędzy wejściem i wyjściem.

Na przykład: sprawność regulatora LDO przy V_IN równym 5V i V_OUT równym 3,3V wynosi 66%. Jednak po zmniejszeniu napięcia zasilania do 3,6V wzrasta ona aż do 91,7%. Zużycie energii przez regulator LDO można obliczyć ze wzoru P = (V_IN - V_OUT) x I_OUT.

Jednak minimalizacja różnicy między napięciem wejściowym i wyjściowym w celu zwiększenia sprawności regulatora LDO ma swoje granice, ponieważ istnieje wartość progowa, poniżej której urządzenie nie reguluje prawidłowo napięcia wyjściowego. Ten minimalny próg jest znany jako spadek napięcia (V_DROPOUT). Nowoczesne urządzenia, takie jak układy LDL112 firmy STMicroelectronics posiadają V_DROPOUT na poziomie 350 miliwoltów (przy 3,3V, 1A na wyjściu).

Projektant powinien zwrócić uwagę, że V_DROPOUT jest punktem, w którym regulator LDO nie jest już w stanie regulować napięcia zasilania. W celu spełnienia pełnej specyfikacji, regulator LDO zazwyczaj wymaga dodatkowego „napięcia rezerwowego”, które zazwyczaj dodaje kolejne 250 do 500mV do V_DROPOUT, ale może wynosić nawet 1,5V dla niektórych regulatorów LDO. Przy określaniu różnicy pomiędzy napięciami wejściowymi i wyjściowymi należy wziąć pod uwagę V_DROPOUT i napięcie rezerwowe.

Więcej informacji na temat projektowania regulatorów LDO dla urządzeń zasilanych bateryjnie zawiera temat Zastosowanie zaawansowanych regulatorów LDO w zasilaczach czujników bezprzewodowych IoT.

Optymalizacja działania regulatora LDO

Jak wykazano powyżej, w projektach o ograniczonej mocy, dobrą praktyką inżynierską jest minimalizowanie różnicy napięcia na regulatorze LDO, ponieważ wynikające z tego oszczędności energii mogą znacznie wydłużyć czas pracy baterii. Ale jest więcej do zrobienia, ponieważ budżet energetyczny jest bardzo ograniczony.

Jednym z obszarów wymagających rozważenia jest drenaż energii, który występuje, gdy urządzenie jest w trybie niskiej mocy lub 'uśpienia', np. gdy nie korzysta z mikrokontrolera, nadajniko-odbiornika lub funkcji GPS. Pomimo że w tym trybie zużycie prądu przez produkt końcowy będzie niskie, regulator LDO musi pozostać aktywny, aby zminimalizować opóźnienia w przypadku naciśnięcia przez użytkownika przycisku operacyjnego lub uaktywnienia ekranu dotykowego.

Gdy urządzenie ubieralne jest w stanie uśpienia, prąd I_OUT jest mały, w związku z czym I_GND ma większy wpływ na sprawność niż podczas normalnej pracy. Ponieważ obciążenie urządzenia jest niskie, rzeczywisty pobór mocy nie jest duży, niemniej jednak jest on ciągły i w dłuższym okresie czasu będzie miał duży wpływ na czas pracy baterii. Dobrą praktyką projektową jest wybranie modelu LDO, który spełnia wymagania specyfikacji, a jednocześnie oferuje najniższy wewnętrzny drenaż prądu, aby zminimalizować straty, gdy prąd I_OUT jest niski.

Co więcej, większość nowoczesnych regulatorów LDO oferuje możliwość przełączenia urządzenia w tryb wyłączenia poprzez podanie niskiego sygnału na wybrany wtyk. Rezultatem jest całkowite odłączenie urządzenia od obciążenia, co skutecznie ogranicza prąd I_OUT do wartości I_GND.

Na przykład: układ MCP1811A firmy Microchip zawiera wejście wyłączające („SHDN”), które służy do wyłączania i włączania napięcia wyjściowego regulatora LDO (ilustracja 2). Urządzenie pracuje przy napięciu wejściowym od 1,8 do 5,5V i oferuje wybór dziewięciu stałych wyjść w zakresie od 1 do 4V. Regulator LDO posiada napięcie V_DROPOUT = 400mV, zapewnia maksymalny prąd wyjściowy do 150mA, I_Q = 250nA oraz I_GND = 80µA (przy I_OUT = 150mA, V_IN = 5V, V_OUT = 4V).

Ilustracja 2: Układ MCP1811A firmy Microchip posiada tryb wyłączania. Czas reakcji na podanie stanu wysokiego na wtyk SHDN i dostarczenie regulowanego napięcia waha się między 600 i 1400µs. (Źródło obrazu: © Microchip Technology).

Gdy wejście SHDN jest w stanie wysokim (minimum 70% VIN), napięcie wyjściowe regulatora LDO jest włączone i urządzenie dostarcza regulowanego napięcia. Gdy stan wejścia SHDN zostanie zmieniony na niski (maksymalnie 20% VIN), regulowane napięcie zasilające zostaje wyłączone i regulator LDO przechodzi w stan wyłączenia przy niskim prądzie, gdzie typowy I_Q wynosi 10nA, a IGND około 2µA.

Zaletą możliwości przełączenia MCP1181A w tryb wyłączania jest oczywista oszczędność energii, ale minusem jest wpływ czasu rozruchu na reakcję systemu. Aby mieć pewność, że regulator LDO nie włączy się z powodu impulsów szumów systemowych na wtyku SHDN i nie będzie marnował energii baterii, układ wyłączający posiada 400 mikrosekundowe (μs) opóźnienie na rosnącym zboczu sygnału wejściowego SHDN przed włączeniem regulatora. Jest to dobry pomysł z punktu widzenia działania, ale ma on wpływ na reakcję. Po upływie ustawionego czasu opóźnienia, jeśli stan wejścia SHDN pozostanie wysoki, regulator rozpoczyna ładowanie kondensatora obciążenia w miarę wzrostu napięcia na wyjściu od 0V do jego ostatecznej wartości regulowanej. Dlatego całkowity czas od włączenia wejścia SHDN do podania napięcia regulowanego na wyjście jest sumą wbudowanego czasu opóźnienia 400 μs i czasu narastania napięcia na wyjściu. Czas narastania zależy od wartości VOUT i może wahać się od 200 do 1000μs.

Podobnie dwutrybowy pakiet LDO XDFN4 NCP171 firmy ON Semiconductor może być przełączony w tryb wyłączania poprzez ustawienie stanu niskiego na wtyku ENA (mniej niż 0,4V). Regulator LDO posiada stały zakres napięcia na wyjściu od 0,6 do 3,3V przy napięciu wejściowym od 1,7 do 5,5V oraz wartość VDROPOUT wynoszącą 110mV. Jednak układ NCP171 oferuje bardziej zaawansowany system wydłużania czasu pracy baterii, który pomaga poprawić reakcję przy przełączaniu z trybu niskiej mocy na normalną pracę z regulowanym napięciem wyjściowym.

W trybie aktywnym regulator LDO może dostarczać prądu o natężeniu do 80mA, ale w trybie niskiej mocy regulowane napięcie na wyjściu nie jest wyłączane. Zamiast tego wartość IOUT jest ograniczona do maksymalnie 5mA. Ponieważ do regulacji wykorzystywana jest inna część regulatora LDO, wartość IGND jest znacznie zmniejszona, co wydłuża żywotność baterii. Tryby niskiej mocy (oraz tryb aktywny) można wybrać za pomocą wtyku ECO (ilustracja 3).

Ilustracja 3: Układ NCP171 firmy ON Semiconductor można przełączać między trybem aktywnym a trybem niskiej mocy za pomocą wtyku ECO. W trybie niskiej mocy, prąd IOUT jest ograniczony do maksymalnie 5mA, natomiast prąd IGND jest znacznie zmniejszony. (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Gdy wtyk ECO jest sterowany sygnałem niskim (do uziemienia), regulator LDO przełącza się w tryb niskiej mocy. IQ jest obniżony z 55µA do 50nA. Wpływ na prąd I_GND jest równie istotny: w trybie aktywnym I_GND = 420µA (IOUT = 80mA), w porównaniu z trybem niskiej mocy, gdzie I_GND = 2,5µA (I_OUT = 5mA). Straty mocy w tym trybie są tylko nieznacznie większe od strat, gdy urządzenie znajduje się w trybie wyłączania. Możliwe jest dalsze zmniejszenie zużycia mocy w trybie niskiej mocy poprzez zmniejszenie nominalnego napięcia na wyjściu w trybie aktywnym o jedną z wewnętrznie zaprogramowanych wartości 50, 100, 150 lub 200 miliwoltów.

Główną zaletą trybu niskiej mocy jest czas reakcji na zapotrzebowanie na normalne napięcie regulowane. Po ustawieniu stanu wysokiego na wtyku ECO (równego wartości V_OUT), urządzenie przełącza się w tryb aktywny oraz przywraca napięcie regulowane układu LDO NCP171 i maksymalną wartość I_OUT do 80mA w czasie krótszym niż 100µs (ilustracja 4).

Ilustracja 4: Przełączanie układu NCP171 firmy ON Semiconductor z trybu niskiej mocy w tryb aktywny przywraca regulowane napięcie w czasie krótszym niż 100µs. (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor)

Podczas uruchamiania układ NCP171 ustawia się domyślnie w tryb aktywny - niezależnie od stanu wtyku ECO - dzięki czemu może on szybko osiągnąć docelowe napięcie na wyjściu i ustabilizować się na tej wartości. Czas trwania tak wymuszonego trybu aktywnego wynosi zazwyczaj 35 milisekund (ms) i zapewnia szybkie ładowanie kondensatora na wyjściu oraz szybki wzrost wartości IOUT w celu zaspokojenia zapotrzebowania na obciążenie.

Istnieją pewne minusy pracy w trybie niskiej mocy: współczynnik tłumienia wpływu zasilania (PSRR) - miara zdolności LDO do tłumienia impulsów napięcia na wejściu - jest niższy, a szumy elektryczne są nieco większe (ilustracja 5).

Ilustracja 5: Gdy układ NCP171 znajduje się w trybie niskiej mocy, współczynnik PSRR jest na ogół niższy w porównaniu do trybu aktywnego. (Źródło ilustracji: © ON Semiconductor).

Z regulatorem LDO NCP171 skojarzony jest zestaw ewaluacyjny STR-NCP171-EVK (EVK). Zestaw EVK jest przeznaczony do użycia ze zintegrowanym środowiskiem programistycznym (IDE) Strata Developer Studio firmy ON Semiconductor, które działa na komputerze PC. Zestaw EVK jest podłączany do IDE za pomocą kabla USB, co umożliwia eksperymentowanie z możliwościami regulatora LDO, na przykład włączania/wyłączania LDO i przełączania między trybami aktywnym i niskiej mocy.

Zestaw EVK i środowisko IDE umożliwiają również inżynierowi konfigurowanie i monitorowanie innych parametrów pracy regulatora LDO, w tym napięcia na wejściu i na wyjściu, strat mocy i temperatury urządzenia.

Podsumowanie

Starannie dobrany regulator LDO upraszcza konstrukcję zasilacza, zapewniając jednocześnie stabilne napięcie i prąd. Wybierając regulator LDO o niskim prądzie uziemienia i minimalizując różnicę pomiędzy napięciem na wejściu i na wyjściu, projektant może osiągnąć wydajność zbliżoną do wydajności stabilizatora impulsowego.

Czas pracy baterii urządzenia ubieralnego można dodatkowo wydłużyć, wybierając regulatory LDO nowej generacji, które mogą pracować w różnych trybach, uruchamianych za pomocą odpowiedniego wtyku. Są one zaprojektowane tak, by ograniczyć straty mocy, gdy bateria przez dłuższy czas znajduje się w trybie uśpienia. Dostawcy elementów krzemowych zazwyczaj dołączają do regulatorów LDO narzędzia ewaluacyjne, które pozwalają projektantowi eksperymentować z ustawieniami urządzenia, aby maksymalnie wydłużyć czas pracy baterii.

Artykuł został opublikowany dzięki uprzejmości firmy © Digi-Key