知道低Iq LDO對于可穿戴設備實現(xiàn)長電池壽命有多重要么？
發(fā)布日期:2022-10-30
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采用具有低靜態(tài)電流 (Iq) 的線性低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，雖然可以延長可穿戴設備和無線物聯(lián)網 (IoT) 設備的電池壽命，但存在性能權衡問題，具體包括瞬態(tài)響應、噪聲性能和輸出功率范圍。此外，靜態(tài)電流有時與關斷或禁用電流 (Id) 相混淆。這是兩種不同的電流，且需要在二者之間取得平衡。當然，如果整個系統(tǒng)設計沒有針對低功耗運行進行優(yōu)化，單純優(yōu)化 Iq 和 Id 是沒有多大用處的。
在本文中，我們將區(qū)分 Iq 和 Id，并簡要討論每種電流對功率耗散的影響。然后，我們將回顧其中的幾種性能權衡，最后介紹 Microchip 和 Texas Instruments 的一些典型 LDO 以及演示板。
靜態(tài)和關斷之間的區(qū)別
準備就緒就是靜態(tài)和關斷之間的區(qū)別。靜態(tài)下，系統(tǒng)處于低功耗、激活狀態(tài)，可隨時投入運行。關斷期間（有時被稱為禁用模式），系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，不能立即運行。這種區(qū)別在電池供電型系統(tǒng)中特別重要，如無線鎖會長時間（通常 >99% 的時間）處于待機狀態(tài)，并且其待機和激活電流消耗之間的差異很大（圖 1）。靜態(tài)電流可用于計算輕負載下的功率，而關斷電流可用于確定電池的長期壽命。
圖 1：對于許多諸如無線鎖之類的無線物聯(lián)網設備來說，其激活和待機狀態(tài)下的電流消耗存在很大差異。（圖片來源：Texas Instruments）
在 LDO 等設備中，Iq 和 Id 之間可能存在很大差異。例如，LDO 的 Iq 為 25 nA，Id 為 3 nA。另一種情況下，LDO 的 Iq 為 0.6 μA，Id 為 0.01 μA。當然，事情并非如此簡單：
· 工作溫度會影響 Iq 和 Id。對于長期在較高溫度下使用的器件，這可能是一個重要考慮因素。
· 低 Iq 器件對動態(tài)負載變化的響應時間可能會更長。這個因素在不同的 LDO 之間變化很大。
· 低 Iq 器件可能會產生內部噪聲，這在噪聲敏感型應用中可能是重要考慮因素。
· 即使是 LDO 也會嚴重發(fā)熱，因此在布局和熱管理方面必須遵循數(shù)據(jù)手冊中的指導原則。否則，Iq 和 Id 的性能可能會受影響。
· Iq 最低不一定是最好的選擇。如果 Iq 和導通電流消耗之間的差異大于兩個數(shù)量級，則成本較低、Iq 較高的 LDO 可能是不錯的選擇。
150 mA 低 Iq LDO 和演示板
在設計使用單個鋰離子電池的系統(tǒng)時，如果需要一個額定輸入電壓為 1.4 V 至 6.0 V、輸出電流高達 150 mA 的 LDO，則可以考慮諸如 Microchip Technology 提供的 MCP1711 等 LDO 器件。該器件的典型 Iq 為 0.6 μA，Id 為 0.01 μA。啟用關斷模式時，輸出電容通過 MCP1711 中的專用開關放電，以迅速將輸出電壓降為零。MCP1711 的環(huán)境工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃。
為了探索 MCP1711 在很寬的輸入電壓和負載范圍內的工作情況，設計者可使用 ADM00672 演示板，其中包括兩種電壓和兩種封裝選擇。
· 1.8 Vout，輸入范圍為 3.2 V 至 6.0 V，采用五引線 SOT-23 封裝
· 3.3 Vout，輸入范圍為 4.0 V 至 6.0 V，采用四引線 1x1 UQFN 封裝。
該演示板包含兩個可獨立測試的隔離電路（圖 2）。
圖 2：MCP1711 演示板包括兩個獨立電路，分別提供 1.8 V（頂部）和 3.3 V 電壓（底部）。（圖片來源：Microchip Technology）
快速瞬態(tài)響應和低 Iq
如果快速瞬態(tài)響應和低 Iq 對系統(tǒng)有益，則設計者可采用 Texas Instruments 的 TPS7A02。該器件的額定電流為 200 mA，Iq 為 25 nA，Id 為 3 nA。該器件支持 0.8 V 至 5.0 V 輸出電壓，可按 50 mV 步長進行設定。該 LDO 的典型瞬態(tài)響應少于為 10 μs 建立時間，且對于從 1 mA 到 50 mA 的階梯式負載變化，有 100 mV 下沖。如圖 3 所示，其響應特性在負載增加和減少時不同。TPS7A02 的指定結溫為 -40°C 至 +125℃。
圖 3：TPS7A02 的動態(tài)負載響應特性在負載增加（左）和減少（右）時有所不同。（圖片來源：Texas Instruments）
結語
Iq 是在設計長電池壽命時需要考慮的一個重要參數(shù)，但只是需要考慮的幾個因素之一。根據(jù)器件的工作狀況和功耗模式，Id 同樣是重要考慮因素。有諸如工作溫度等多種因素會影響 Iq 和 Id，并且這兩個值有一個最佳范圍。小并非總是好事。
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