LDO 在物聯(lián)網(wǎng)中能提高電源效率的兩種方式
1.前言
隨著物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 席卷我們的家庭和工作，我們發(fā)現(xiàn)越來(lái)越多的電器和系統(tǒng)集成了電子設(shè)備，讓我們幾乎可以從世界任何地方訪問它們。但是，由于我們的家庭和辦公室中連接了如此多的設(shè)備，因此我們要消耗大量的待機(jī)功率。我們可以做些什么來(lái)使我們的恒溫器、門、鈴鐺、安全系統(tǒng)和電視更高效，同時(shí)保持相同的連接完好無(wú)損？如果我告訴大家一個(gè)簡(jiǎn)單的線性穩(wěn)壓器 (LDO) 可能是答案，大家會(huì)相信我嗎？以下是關(guān)鍵原因。
2.使用 LDO 提高電源效率
我們生活和工作空間中的許多設(shè)計(jì)都嚴(yán)重依賴傳感器來(lái)提供準(zhǔn)確的功能。這些傳感器中的許多需要解析度數(shù)，檢測(cè)少量的化學(xué)物質(zhì)或氣體，并測(cè)量極少量的液體。由于效率對(duì)傳感至關(guān)重要，因此我們需要集成開關(guān)模式電源 (SMPS) 以實(shí)現(xiàn)高于 80% 的效率。不幸的是，通過(guò)集成開關(guān)穩(wěn)壓器，我們會(huì)產(chǎn)生外部因素，例如對(duì)傳感器功能產(chǎn)生負(fù)面影響的電壓擺幅。
通常，我們?cè)?/span> SMPS 的輸出端添加一個(gè) LDO 來(lái)解決這個(gè)問題。LDO 降低了我們電源設(shè)計(jì)的整體效率；然而，它使我們能夠保持 70% 的效率，與全線性解決方案相比，這是整體性能的改進(jìn)，后者將在 10-20% 的范圍內(nèi)。LDO 還具有電源抑制 (PSR) 功能。PSR 有助于解決功率波動(dòng)，因此波動(dòng)不再影響傳感器，因?yàn)?LDO 充當(dāng)濾波器。我們以TPS717 LDO 為例。
圖 1：TPS717電源抑制
由于大多數(shù)傳感器集線器和子系統(tǒng)需要低電流，我們可以使用 10mA 負(fù)載的情況來(lái)分析我們的信號(hào)。如果我們假設(shè)我們是在2.1MHz的工作中，TPS717 具有過(guò)量的PSR 40dB的，這意味著LDO只反映小于100倍比SMPS的紋波。
3.LDO 系統(tǒng)可以消耗非常低的功率
考慮到效率問題，我們現(xiàn)在專注于系統(tǒng)的低功耗方面并降低整體待機(jī)功耗。為了計(jì)算 LDO 的功耗，我們必須查看輸入和輸出之間的壓降以及 LDO 提供的電流：
盡管我們的 LDO 對(duì)整體功耗的影響并不明顯，但許多 LDO，例如LP2951 ，具有關(guān)斷功能，可以關(guān)閉系統(tǒng)的電流供應(yīng)。
在關(guān)斷模式下，系統(tǒng)中的功率損耗僅限于關(guān)斷電流：
以LP2951 為例，并以其關(guān)斷電流為例，我們可以將功率損耗降低 1,000 倍。
4. 限制LDO電流
LDO 中的電流限制是通過(guò)為所提供的電流建立一個(gè)上限來(lái)定義的。與恒流源不同，LDO 按需提供電流，但也可以控制調(diào)節(jié)的總功率。電流限制是通過(guò)控制 LDO 內(nèi)部輸出級(jí)晶體管的內(nèi)部電路實(shí)現(xiàn)的。請(qǐng)參見圖 1。這是 LDO 的經(jīng)典限流電路，通常被稱為“磚墻”限流電路，因?yàn)橐坏┻_(dá)到限制，它就會(huì)突然停止電流。在該內(nèi)部電路中，LDO 測(cè)量用于反饋的輸出電壓，但也測(cè)量輸出電流相對(duì)于內(nèi)部基準(zhǔn) (I REF )的縮放鏡像。
圖 1：限流內(nèi)部 LDO 結(jié)構(gòu)
在磚墻電流限制中，上限是定義的，LDO 逐漸提供電流，直到達(dá)到限制電流限制。一旦超過(guò)電流限制，輸出電壓就不會(huì)被調(diào)節(jié)，而是由負(fù)載電路的電阻 (R LOAD ) 和輸出電流限制 (I LIMIT )（公式 1
(1)
只要熱阻 (θ JA ) 允許在結(jié)溫處于可接受范圍內(nèi) (T J < 125°C) 的健康功耗，傳輸晶體管將繼續(xù)此操作并耗散功率。一旦 V OUT過(guò)低并達(dá)到熱限制，熱關(guān)斷將關(guān)閉器件以保護(hù)其免受永久性損壞。設(shè)備冷卻后，它會(huì)重新打開并可以進(jìn)行調(diào)節(jié)。這在可能出現(xiàn)短路的情況下尤為重要，因?yàn)?/span> LDO 將繼續(xù)將 V OUT調(diào)節(jié)至 0V。
折返電流限制與標(biāo)準(zhǔn)上限非常相似。但折返電流的主要目標(biāo)是限制總功耗，通過(guò)線性降低輸出電流限制而使輸出晶體管保持在其安全功耗限制內(nèi)，同時(shí) V OUT降低且 V IN保持穩(wěn)定。
每當(dāng)可能出現(xiàn)短路或過(guò)載等有害情況時(shí)，重要的是要防止這種影響傳輸?shù)狡渌舾须娮釉O(shè)備。受保護(hù)的 LDO 可以提供廣泛的功能，可以使任何設(shè)計(jì)更加穩(wěn)健。
5.結(jié)論
這是否意味著我們可以依靠 LDO 使我們的電源設(shè)計(jì)更加高效？不是一個(gè)人。系統(tǒng)的效率確實(shí)受整體設(shè)計(jì)的影響。但是通過(guò)添加正確的 LDO，我們可以確保為我們的設(shè)計(jì)所依賴的許多傳感器提供干凈的電源軌，并且我們可以確保傳感器僅在需要時(shí)消耗功率。
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