EUR | USD

Gebruik instelbare LDO's om de levensduur van batterijen in wearables te verbeteren

Door Steven Keeping

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Schakelende spanningsregelaars staan bekend om hun hoge efficiëntie. Daarom worden ze vaak gebruikt in wearables om de levensduur van de batterij te verbeteren. Maar dergelijke regelaars kunnen elektrische ruis veroorzaken, zijn complex om in te ontwerpen, nemen veel ruimte in en zijn relatief duur.

Lineaire regelaars daarentegen leveren een rimpelvrije output en zijn eenvoudig, compact en goedkoop. Maar over een breed belastingsbereik zijn ze doorgaans minder efficiënt dan schakelregelaars, wat de levensduur van de batterij beïnvloedt. Door gebruik te maken van een low-dropout (LDO) lineaire regelaar (vaak gewoon ‘LDO’ genoemd) en de output van het component zo te optimaliseren dat hij in het meest efficiënte gebied werkt, is de algehele efficiëntie nagenoeg gelijk aan die van een schakelregelaar.

Eén van de problemen blijft echter dat wearables zo zijn ontworpen dat ze veel tijd in een energiebesparende stand-bymodus staan om de levensduur van de batterij te verbeteren. Maar zelfs in deze modus trekt de LDO een merkbare interne stroom. Hoewel deze stroom laag is, gaat dit wel ten koste van de levensduur van de batterij van het eindproduct.

Een nieuwe generatie LDO-oplossingen lost dit probleem op. Met behulp van deze componenten kunnen ingenieurs de uitgangsstroom en de afvalspanning (dropout voltage) aanpassen om de interne vermogensdissipatie wanneer de wearable in een energiebesparende modus staat te minimaliseren.

In dit artikel wordt allereerst uitgelegd hoe je een LDO selecteert voor gebruik in een wearable. Vervolgens wordt besproken hoe een nieuwe generatie LDO's kan worden toegepast om de efficiëntie te verbeteren zonder dat dit ten koste gaat van de gebruikerservaring.

LDO of schakelregelaar?

Een belangrijke stap in het ontwerpproces van wearables is het kiezen van een regelaar. De ingenieur heeft hierbij de keuze uit een schakelregelaar of een LDO. Beide hebben voor- en nadelen, wat de beslissing voor een bepaalde toepassing lastig maakt, zie Understanding the Advantages and Disadvantages of Linear Regulators.

Ook het ontwerp van wearables brengt een aantal uitdagingen met zich mee die het selectieproces nog moeilijker maken:

  • kleine batterijen voor een compact ontwerp
  • lange levensduur van de batterij
  • stabiele voeding voor vermogensgevoelige elektronica
  • snel activeren vanuit de slaapstand voor de beste gebruikerservaring

Een efficiënte schakelregelaar voldoet aan de vereisten voor een lange levensduur van de batterij, maar een belangrijk nadeel is de relatief hoge elektromagnetische interferentie (EMI) die veroorzaakt wordt door de hoogfrequente werking van de regelaar en die de gevoelige microcontroller en transceiver van de wearable kan verstoren.

Dit probleem kan worden opgelost door gebruik te maken van een schakelregelaar voor spanningsconversie en door een LDO in serie toe te voegen om de rimpelspanning en -stroom aan de uitgang te minimaliseren. Een dergelijke topologie is echter complexer, brengt extra kosten met zich mee en vergroot de afmetingen van de voeding.

Een andere oplossing is het gebruik van een LDO voor een stabiele voedingsspanning en maximale efficiëntie door een component te kiezen met een lage interne vermogensdissipatie en door het verschil tussen de ingangs- en uitgangsspanning van de regelaar te minimaliseren.

Berekenen van LDO-efficiëntie

De efficiëntie van een LDO wordt bepaald door de aardstroom (IGND) en de ingangs- en uitgangsspanning (VIN en VOUT). Deze wordt als volgt berekend:

Efficiëntie = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%

IGND is de stroom die nodig is om de interne circuits van de LDO te bedienen (het verschil tussen de ingangs- en uitgangsstroom). Een belangrijk deel hiervan is de ruststroom van de LDO (IQ), oftewel de stroom die nodig is om de interne circuits van de LDO van stroom te voorzien wanneer de externe belastingstroom nagenoeg nul is. Dit omvat onder meer de bedrijfstroom van de foutversterker, de uitgangsspanningsdeler en de overstroom- en temperatuurdetectiecircuits.

Vanwege de invloed van IGND en IQ op de efficiëntie zijn deze belangrijke specificaties op het gegevensblad van een LDO. Zo heeft een voeding die geschikt is voor een wearable, zoals de MCP1811BT-028/OT LDO van Microchip, bijvoorbeeld een IGND = 180 microamp (µA) (bij IOUT = 300 milliamp (mA)) en een IQ = 250 nanoamp (nA). IQ (en dus ook IGND) stijgt als gevolg van een hogere IOUT. Deze relatie wordt vooral duidelijk voor de LDL112 van STMicroelectronics (Afbeelding 1).

Grafiek van de ruststroom als functie van de belastingstroom voor de LDL112 LDO van STMicroelectronicsAfbeelding 1: Deze grafiek laat de relatie zien tussen de belastingstroom en de ruststroom voor de LDL112 LDO van STMicroelectronics. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Voor LDO's die voldoen aan de typische belastingsbehoeften voor het registreren en verzenden van gegevens door wearables (bijvoorbeeld een paar honderd milliamp), is IGND relatief onbelangrijk vergeleken met IOUT. In dit geval is het spanningsverschil tussen ingang en uitgang de belangrijkste factor die efficiëntie bepaalt.

De efficiëntie van een LDO bij een VIN van 5 volt en een VOUT van 3,3 volt is bijvoorbeeld 66%. Maar als de voeding wordt verlaagd tot 3,6 volt, stijgt de efficiëntie stijgt tot wel 91,7%. De vermogensopname van de LDO wordt berekend aan de hand van P = (VIN - VOUT) x IOUT.

Minimaliseren van het spanningsverschil tussen ingang en uitgang om de efficiëntie van de LDO te verhogen, is echter beperkt, omdat er een drempelwaarde is waaronder het component de uitgangsspanning niet goed regelt. Deze minimumdrempel wordt de afvalspanning genoemd (VDROPOUT). Voor een modern component zoals de LDL112 van STMicroelectronics is VDROPOUT gelijk aan 350 millivolt (bij uitgangswaarden van 3,3 volt en 1 A).

De ontwerper moet zich er echter van bewust zijn dat VDROPOUT het punt is waarbij de LDO de voedingsspanning niet meer kan regelen. Om aan de volledige specificatie te voldoen, heeft de LDO wat extra speling nodig. Dit voegt gewoonlijk nog eens 250 tot 500 mV aan VDROPOUT toe, maar kan voor sommige LDO's oplopen tot wel 1,5 volt. Bij het bepalen van het spanningsverschil tussen ingang en uitgang moet rekening worden gehouden met VDROPOUT en die extra speling.

Raadpleeg voor meer informatie over LDO-ontwerpen voor draagbare apparaten Use Advanced LDOs to Meet IoT Wireless Sensor Power Supply Design Challenges.

Optimaliseren van LDO-prestaties

Zoals we hierboven hebben gezien, is het voor een ontwerp met beperkte stroomvoorziening technisch gezien een goed idee om het spanningsverschil in de LDO te minimaliseren, omdat de resulterende energiebesparing de levensduur van de batterij aanzienlijk kan verlengen. Maar dat is nog niet alles.

Het is namelijk belangrijk rekening te houden met de lekstroom die optreedt wanneer een wearable zich in een energiebesparende modus of ‘slaapstand’ bevindt, bijvoorbeeld momenten waarop het apparaat de microcontroller, de transceiver of de GPS-functie niet gebruikt. Hoewel het stroomverbruik van het eindproduct in deze modus laag is, moet de LDO actief blijven om de latentie te minimaliseren wanneer de gebruiker bijvoorbeeld op een knop drukt of een aanraakscherm activeert.

Als de wearable in de slaapstand staat, is IOUT klein waardoor IGND een grotere invloed heeft op de efficiëntie dan tijdens normaal gebruik. Omdat de belasting op dat moment laag is, wordt er niet veel energie verbruikt. Toch heeft dit stroomverbruik bij langere periodes een aanzienlijke invloed op de levensduur van de batterij. Het is dus belangrijk om bij het ontwerpen een LDO te kiezen die voldoet aan de specificaties en die de laagste interne lekstroom heeft, om de verliezen bij een lage IOUT te minimaliseren.

De meeste moderne LDO's bieden zelfs een optie om het component in ‘uitschakelmodus’ (shutdown mode) te zetten door de waarde op een geselecteerde pen te verlagen (pulldown). Het resultaat is dat het component volledig van de belasting wordt losgekoppeld, waardoor IOUT wordt beperkt tot alleen de IGND.

De MCP1811A van Microchip bevat bijvoorbeeld een uitschakelingang (‘SHDN’) die wordt gebruikt om de LDO-uitgangsspanning uit en aan te zetten (Afbeelding 2). Het component werkt met een ingangsspanning tussen 1,8 en 5,5 volt en biedt een keuze uit negen vaste uitgangen variërend van 1 tot 4 volt. De LDO heeft een VDROPOUT van 400 mV en levert een maximale uitgangsstroom van 150 mA. IQ bedraagt 250 nA en IGND is 80 µA (bij IOUT = 150 mA, VIN = 5 volt, VOUT = 4 volt).

Diagram van de MCP1811A van Microchip met uitschakelmodusAfbeelding 2: De MCP1811A van Microchip is voorzien van een uitschakelmodus. De reactietijd van het moment waarop de SHDN-pen hoog wordt tot de levering van de geregelde spanning varieert tussen de 600 en 1400 µs. (Afbeelding bron: Microchip Technology)

Wanneer de SHDN-ingang hoog is (minimaal 70% van VIN), wordt de LDO-uitgangsspanning ingeschakeld en levert het apparaat de geregelde spanning. Wanneer de SHDN-ingang omlaag wordt getrokken (maximaal 20% van VIN), wordt de geregelde voedingsspanning uitgeschakeld en gaat de LDO over in uitschakelmodus met IQ doorgaans gelijk aan 10 nA en IGND circa 2 µA.

Het voordeel van deze uitschakelmodus van de MCP1181A is de duidelijke energiebesparing, maar het nadeel is het effect dat de opstarttijd heeft op de algemene respons van het systeem. Om te voorkomen dat de LDO inschakelt als gevolg van systeemgeluidspieken op de SHDN-pen en dus energie verspilt, heeft het uitschakelcircuit een vertraging van 400 microseconden (μs) op de stijgende rand van de SHDN-ingang voordat de regelaar wordt ingeschakeld. Vanuit een operationeel perspectief is dit een goed idee, maar het heeft wel een impact op de respons. Als na de vooraf ingestelde vertraging de SHDN-ingang hoog blijft, begint de regelaar de belastingscondensator op te laden terwijl de uitgangswaarde stijgt van 0 volt naar de uiteindelijke gereguleerde waarde. De totale tijd vanaf het moment van inschakelen van de SHDN-ingang totdat de uitgang de regelspanning levert, is de som van de ingebouwde vertragingstijd van 400 μs plus de ‘stijgtijd’ van de uitgangsspanning. Deze stijgtijd is afhankelijk van VOUT en kan variëren tussen 200 μs en 1000 μs.

Op dezelfde wijze kan de NCP171 dual-mode XDFN4 LDO van ON Semiconductor in uitschakelmodus worden gezet door de ENA-pen omlaag te trekken (tot minder dan 0,4 volt). De LDO heeft een vast uitgangsspanningsbereik van 0,6 tot 3,3 volt, een ingangsspanning van 1,7 tot 5,5 volt en een VDROPOUT van 110 mV. De NCP171 biedt echter een meer geavanceerd systeem om de levensduur van de batterij te verlengen, dat de respons verbetert bij het overschakelen van een energiebesparende modus naar de geregelde uitgangsspanning die nodig is voor normaal gebruik.

In de actieve modus kan de LDO tot 80 mA leveren, maar in de energiebesparende modus wordt de geregelde uitgangsspanning van de LDO niet uitgeschakeld. In plaats daarvan wordt de IOUT beperkt tot maximaal 5 mA. Omdat een ander deel van de LDO voor regeling wordt gebruikt, wordt IGND aanzienlijk gereduceerd, wat de levensduur van de batterij verbetert. De energiebesparende (en de actieve) modi kunnen worden geselecteerd via de ECO-pen van de LDO (Afbeelding 3).

Diagram van de NCP171 van ON SemiconductorAfbeelding 3: De NCP171 van ON Semiconductor kan via de ECO-pen omschakelen tussen actieve modus en energiebesparende modus. In de energiebesparende modus wordt IOUT beperkt tot maximaal 5 mA, terwijl IGND aanzienlijk lager is. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Wanneer de ECO-pen laag wordt (naar massa), schakelt de LDO over in de energiebesparende modus. IQ wordt verlaagd van 55 µA naar 50 nA. De invloed op IGND speelt ook een belangrijke rol. In de actieve modus is IGND namelijk gelijk aan 420 µA (IOUT = 80 mA), vergeleken met de energiebesparende modus waarin IGND gelijk is aan 2,5 µA (IOUT = 5 mA). De vermogensdissipatie in deze modus is maar iets hoger dan die wanneer het apparaat in een uitschakelmodus staat. Het energieverbruik in de energiebesparende modus kan nog meer worden verlaagd door de nominale uitgangsspanning in de actieve modus te verlagen met een van de intern geprogrammeerde offsets van 50, 100, 150 en 200 millivolt.

Het grootste voordeel van de energiebesparende modus is de reactietijd voor het overschakelen naar normale geregelde spanning. Wanneer de spanning op de ECO-pen omhoog wordt getrokken (gelijk aan VOUT), wordt de actieve modus ingeschakeld en herstelt NCP171 LDO de geregelde spanning en een maximale IOUT van 80 mA in minder dan 100 µs (Afbeelding 4).

Diagram van het omschakelen van de NCP171 van ON Semiconductor van energiebesparende modus naar actieve modusAfbeelding 4: De NCP171 schakelt in minder dan 100 µs van energiebesparende modus naar actieve modus om de geregelde spanning te herstellen. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

Bij het opstarten schakelt de NCP171 standaard over naar de actieve modus, ongeacht de status van de ECO-pen, zodat deze snel de gewenste uitgangsspanning kan bereiken en stabiliseren. Deze geforceerde actieve modus duurt gewoonlijk 35 milliseconden (ms) en zorgt ervoor dat de uitgangscondensator snel oplaadt en IOUT snel stijgt om aan de gevraagde belasting te voldoen.

Er zijn een aantal nadelen aan het werken in de energiebesparende modus. De power supply rejection ratio (PSRR) — de mate waarop de LDO spanningspieken op de ingang kan afwijzen — is lager en er is een iets hogere elektrische ruis (Afbeelding 5).

Grafieken van de energiebesparende modus van de NCP171 van ON Semiconductor vergeleken met de actieve modusAfbeelding 5: Als de NCP171 in de energiebesparende modus staat, is de PSRR over het algemeen lager dan in de actieve mode. (Bron afbeelding: ON Semiconductor)

De NCP171 LDO wordt geleverd met een evaluatiekit (EVK), de STR-NCP171-EVK. De EVK is ontworpen voor gebruik met de geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) in Strata Developer Studio van ON Semiconductor, die op een pc draait. De EVK wordt via een USB-kabel aangesloten op de IDE en kan vervolgens worden gebruikt om te experimenteren met de mogelijkheden van de LDO, bijvoorbeeld in- en uitschakelen en schakelen tussen de actieve en de energiebesparende modus.

Met de EVK en IDE kan de technicus ook andere bedrijfsparameters van de LDO configureren en bewaken, waaronder ingangs- en uitgangsspanning, vermogensdissipatie en de temperatuur van het component.

Conclusie

Een zorgvuldig geselecteerde LDO vereenvoudigt het voedingsontwerp van een wearable en garandeert een stabiele spanning en stroom. Door een LDO te selecteren met een lage aardstroom en het spanningsverschil tussen de ingang en uitgang te minimaliseren, kan de ontwerper een efficiëntie bereiken die vergelijkbaar is met die van een schakelregelaar.

De levensduur van batterijen in wearables kan verder worden verbeterd door een van de nieuwe generatie LDO's te selecteren met modi die via een speciale pen worden geselecteerd om stroomverbruik te beperken wanneer de wearable langere tijd in de slaapstand staat. Halfgeleiderleveranciers ondersteunen LDO’s gewoonlijk met evaluatiekits zodat de ontwerper kan experimenteren met de beste instellingen voor een maximale levensduur van de batterij.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Steven Keeping

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key