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產品綜述

為可穿帶設備和IOT應用而生的超低功耗LDO

  • 商品说明

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超低功耗電子元器件在物聯網(IOT)以及消費類產品(Consumer Products)的應用中有著廣泛的需求,對超低功耗的追求既是產品節能節能環保的需求,又是提升客戶體驗的剛需。


“低功耗”“低壓差”正如其名,是LDO器件最重要的性能指標,總能在規格書中輕易找到它們的參數(Vdropout,IQ):


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低壓差(Vdropout)代表著穩壓器的低功耗,確保向預期負載提供最大功率。對於越來越多的使用電池的便攜式設備來說,這壹點尤為重要,因為對於這些設備來說,電池應該在未來的幾年內壹直為設備供電,或者在些設備的使用壽命期間不可能更換電池。延長電池壽命已變得至關重要。LDO穩壓器具有體積小、成本低、效率高等優點,在此類應用中得到了廣泛的應用。隨著新技術的發展,現代LDO還具有低靜態電流、低輸入噪聲、寬輸入輸出電壓範圍等特點。有些還集成了高級保護功能。


低靜態電流(IQ),另壹個重要的參數,它表示在無負載或輕負載條件下設備的電流消耗。低靜態電流提供了兩倍的優勢。通常,LDO需要在高負載、低負載或空載條件下連續工作,因此,器件的低靜態電流意味著在低負載或空載條件下的低功耗。此外,大多數無線和便攜式設備(如無線傳感器和物聯網節點)都在工作周期內工作,這意味著當負載電流降至零時,它們會在睡眠模式下花費大量時間。對於電池供電的應用,LDO的靜態電流應盡可能小,待機時消耗更少的電池電量,以保持便攜式設備的電池壽命。如下圖的典型應電路, LDO直接接在電池端子,為後面的電路提供穩定Vout輸出。


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PMOS型LDO功能框图及典型应用电路


LDO在物聯網、傳感器節點和醫療設備等需要穩定無噪聲電壓軌的微處理器、FPGA和ADC基準電壓源等領域有著廣泛的應用。在我們開始為我們的應用設計LDO之前,我們需了解壹下LDO的工作模式。

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如上面簡化的LOD電路所示,輸入電流和電壓分別為 IINVIN ,這就給出了LDO的輸入功率:  PIN = VIN x IIN  . 當設備開啟時,它將輸出電流IOUT 和輸出電壓VOUT 傳送到負載。因此,負載接收的輸出功率為POut = VOut x IOut。在上述簡化的LDO穩壓器內部電路中,我們發現在輸入電壓和輸出電壓之間,唯壹與負載串聯的元件是這顆LDO內部的P-MOSFET。因此,我們應該假設 IIN = IOut


如果輸入和輸出之間沒有電壓降(VIN-VOut),我們就不會有功率損失,因為 PLoss = 0 = PIN – POut  ,但在現實世界中,VIN?K不等於VOut。換句話說,我們在輸入和輸出之間有壹個電壓降。在LDO的所有應用中,由於通過元件上的電壓降,無法消除功率損耗。當我們使用P型器件時,由於我們新工藝的導通電阻RON大大降低,電壓降可能非常小,Vdropout  = IOut x RON


當LDO設置為關機模式時,它通過切斷負載電流停止向負載供電。在關機模式下,接收關機信號以驅動LOD調節器的內部電路,如時鐘發生器和輸出放電。關閉模式下LDO的電流消耗稱為關閉電流。關機模式下的功率損耗為PLoss = IShdn x VIN 


除上述兩種模式外,當LDO啟用但沒有負載電流提供給負載時,LDO也可以在待機模式下工作。這種模式下的電流消耗稱為靜態電流。在待機模式下,LDO穩壓器仍然需要通過引入少量電流(靜態電流)來調節輸出電壓,以激活內部電路。此模式下的功率損耗為PLoss = IQ x VIN


在了解LDO的工作模式之後,我們可以找到LDO在物聯網應用中的最佳用途。物聯網應用程序通常以不連續的方式工作,指定上下班循環。在許多應用中,設計者可能不想在等待期間關閉設備。相反,該設備可以切換到睡眠模式,以節省電力,並在需要時被喚醒。在休眠模式下,LDO不工作,但以零負載電流維持輸出電壓調節。唯壹的電流消耗是保持內部電路激活所需的靜態電流。對於許多物聯網應用,等待期或睡眠模式可能占90%的時間,這意味著我們可以節省90%或更多的電力,如果我們簡單地關閉設備在這段時間。如上所述,設備在睡眠模式下的電流消耗是靜態電流。由於靜態電流在90%以上的時間內是唯壹的電流消耗,它對電池壽命的影響成為影響器件性能的主要因素。即使靜態電流很小,長期的影響是耗盡電池在壹個大大降低率相比,滿載電流。


這裏,我們以WPMtek的WL9005 LDO為例。假設輸入電壓VIN為5V,負載電流為100mA時輸出電壓VOut為3.3V,空載靜態電流IQ為0.3uA,關斷電流IShdn為0.1uA。


WL9005在100mA下啟動為負載供電時的功率損耗為:

PLoss = Vdropout x ILoad = (5 – 3.3) x 100mA = 170mW


如果WL9005壹直打開,功耗將保持在170mW。對於使用電池作為主要電源的設備?碚f,這種功耗是相當大的。如果我們在不需要的時候關閉設備,我們可以將電流降到靜態電流0.3uA。

PLoss = VIN x IQ = 5V x 0.3uA = 1.5uW


兩種功耗之比為113333倍!可以看到通過切斷不必要的電力損耗而產生多大功耗差異。由於我們已經證明靜態電流對物聯網設備的功耗影響最大,因此我們必須了解,選擇具有更低靜態電流的LDO可以進壹步降低功耗。


如果我們進壹步關閉LDO,我們可以將電流消耗降低到0.1uA,功率損耗為PLoss = VIN x IShdn = 5V x 0.1uA = 0.5uW ,但請記住,完全關閉LDO可能是不可行的,設備的長開啟響應可能會顯著影響某些應用程序的性能。


超低電壓降的顯著優點包括低散熱、良好的線路調節、良好的負載調節和低紋波,這些都是物聯網設備對電源的要求。LDO穩壓器由PNP BJT或PMOS組成。由於P型器件的飽和電壓較低,LDO的電壓降可以低至100 mv。真正做到超低功耗。


維攀微(WPMtek)把靜態功耗做到了極致的超低壓差(Vdropout=100mV@100mA),極致的超低靜態電流(IQ=0.3 uA),從而給可穿戴設備,消費類產品,IOT產品等帶來了更省電更好的客戶體驗。


維攀維在高壓/低壓系列LDO 產品線做了齊全的覆蓋,LDO的選型變得方便袖手。


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