Paranna paristojen kestoa puettavissa ratkaisuissa käyttämällä säädettäviä LDO-regulaattoreita, joiden vuotovirta on alhainen

Hakkuri-periaatetta käyttävät jänniteregulaattorit ovat tunnettuja korkeasta hyötysuhteestaan ja ne ovat suosittu vaihtoehto puettavien ratkaisujen virtalähteeksi haluttaessa pidentää paristojen kestoa. Tällaiset regulaattorit voivat kuitenkin aiheuttaa sähköisiä häiriöitä, minkä lisäksi ne ovat suunnittelun kannalta monimutkaisia, vievät paljon tilaa ja maksavat suhteellisen paljon.

Lineaariset regulaattorit puolestaan tuottavat häiriöttömän lähtöjännitteen ja ovat yksinkertaisia, pienikokoisia ja edullisia. Laajalla kuorma-alueella ne ovat kuitenkin yleensä hyötysuhteeltaan heikompia kuin hakkuriregulaattorit, mikä vaikuttaa akunkestoon. Käyttämällä matalan jännitepudotuksen (LDO) lineaarista regulaattoria (joita kutsutaan yleisesti vain LDO:iksi) ja optimoimalla laitteen lähtöjännite siten, että regulaattori toimii hyötysuhteeltaan tehokkaimmalla alueella, on kuitenkin mahdollista päästä lähelle hakkuriregulaattorin kokonaishyötysuhdetta.

Pääongelma on kuitenkin edelleen se, että puettavat laitteet on suunniteltu toimimaan suuren osan ajasta vähän virtaa kuluttavassa valmiustilassa akun kestoajan pidentämiseksi. LDO:n sisäinen virrankulutus on huomattava myös näissä tiloissa. Vaikka kulutus onkin pieni, se vaikuttaa lopputuotteen akunkestoon.

Uuden sukupolven LDO-ratkaisut tarttuvat tähän ongelmaan. Näiden komponenttien avulla suunnittelijat voivat säätää lähtövirran ja pudotusjännitteen siten, että sisäinen tehohäviö saadaan minimoitua puettavan laitteen ollessa matalan tehon tilassa.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miten valita LDO puettavan laitteen virransyöttöä varten. Sen jälkeen artikkelissa selitetään, miten uuden sukupolven LDO:t auttavat maksimoimaan hyötysuhteen tinkimättä käyttäjäkokemuksesta.

LDO vai hakkuriregulaattori?

Regulaattorin valinta on keskeinen kysymys puettavan laitteen virransyötön suunnittelussa. Suunnittelija voi valita joko hakkuriregulaattorin tai LDO:n. Molemmissa on omat hyvät ja huonot puolensa, joten oikean valinnan tekeminen tiettyyn tarkoitukseen voi olla vaikeaa. Katso artikkelia Lineaaristen regulaattorien hyödyt ja haitat.

Puettaviin laitteisiin liittyy useita suunnitteluhaasteita, jotka vaikeuttavat valintaa entisestään:

• Kompaktin rakenteen vuoksi käytetään pieniä akkuja/paristoja.
• Akun/pariston tulee kestää pitkään.
• Herkkä elektroniikka vaatii vakaan virtalähteen.
• Käyttökokemuksen parantamiseksi laitteen tulee herätä lepotilasta nopeasti.

Tehokas hakkuriregulaattori voi olla vastaus akunkestoa koskevaan tarpeeseen, mutta sen merkittävä haittapuoli on regulaattorissa käytettävän korkean toimintataajuuden synnyttämät sähkömagneettiset häiriöt (EMI), jotka voivat häiritä puettavan laitteen herkkää mikrokontrolleria ja lähetin-vastaanotinta.

Tämä ongelma voidaan ratkaista käyttämällä hakkuriregulaattoria jännitemuunnokseen ja lisäämällä sarjaan LDO, jolla minimoidaan laitteeseen syötettävän jännitteen ja virran häiriöt. Tällainen rakenne on kuitenkin monimutkaisempi ja kalliimpi ja kasvattaa virtalähteen kokoa.

Toinen lähestymistapa on muodostaa LDO:lla stabiili jännite ja maksimoida hyötysuhde käyttämällä komponenttia, jonka sisäinen tehohäviö on vähäinen, sekä minimoida ero regulaattorin tulo- ja lähtöjännitteiden välillä.

LDO:n hyötysuhteen laskeminen

LDO:n hyötysuhteen määrittävät sen maadoitusvirta (I_GND) sekä tulo- ja lähtöjännitteet (V_IN ja V_OUT). Kaava hyötysuhteen laskemiselle on seuraava:

Hyötysuhde = I_OUT/(I_OUT + I_GND) × V_OUT/V_IN × 100 %

I_GND on virta, joka tarvitaan LDO:n sisäisten piirien käyttöön (eli ero tulo- ja lähtövirran välillä). Tärkeä osa tätä on LDO:n lepovirta (I_Q) eli virta, joka vaaditaan LDO:n sisäisten virtapiirien käyttämiseen, kun ulkoinen virtakuormitus on lähellä nollaa. Tähän kuuluu mm. virhevahvistimen, lähtöjännitteen jakajan sekä ylivirta- ja lämpötilatunnistinpiirien vaatima sähkövirta.

Koska I_GND ja I_Q vaikuttavat ratkaisevasti hyötysuhteeseen, ne ovat LDO:n teknisten tietojen joukossa keskeisellä sijalla. Puettavan laitteen virransyöttöön sopivan tuotteen, kuten Microchip MCP1811BT-028/OT LDO:n, arvot ovat I_GND = 180 mikroampeeria (µA) (kun I_OUT = 300 milliampeeria (mA)) ja I_Q = 250 nanoampeeria (nA). I_Q (ja siten myös I_GND) kasvaa, kun I_OUT kasvaa. Tämä suhde näkyy selvästi STMicroelectronics LDL112:ssa (kuva 1).

Kuva 1: Tässä kuvaajassa näkyy selvästi kuormitusvirran ja lepovirran suhde STMicroelectronicsin LDL112-LDO:ssa. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Kun LDO:ta käytetään tyypillisen dataa tallentavan ja lähettävän puettavan laitteen kuormien kanssa (esim. useita satoja milliampeereja), I_GND on suhteellisen merkityksetön suhteessa I_OUT-virtaan, joten hyötysuhteen määrittämisen kannalta keskeiseksi muodostuu tulon ja lähdön välinen jännite-ero.

Jos LDO:n V_IN on esimerkiksi 5 volttia ja V_OUT 3,3 volttia, hyötysuhde on 66 %. Se kuitenkin nousee jopa 91,7 %:iin, jos syöttöjännite lasketaan 3,6 volttiin. LDO:n tehonkulutus voidaan laskea kaavalla P = (V_IN - V_OUT) x I_OUT.

Tulo- ja lähtöjännitteen eron minimoinnilla LDO:n hyötysuhteen parantamiseksi on kuitenkin rajansa, sillä tietyn kynnysarvon alittamisen jälkeen laite ei enää reguloi lähtöjännitettä oikein. Tätä kynnysarvoa kutsutaan pudotusjännitteeksi (V_DROPOUT). Modernissa laitteessa, kuten STMicroelectronicsin LDL112:ssa, V_DROPOUT on 350 millivolttia (jännitteen ollessa 3,3 volttia ja lähtövirran 1 A).

Suunnittelijan tulee huomioida, että V_DROPOUT on kohta, jonka jälkeen LDO ei enää kykene reguloimaan syöttöjännitettä. Toimiakseen täysin suunnitellulla tavalla LDO tarvitsee yleensä hieman lisämarginaalia, jonka vuoksi V_DROPOUT-jännitteeseen lisätään yleensä 250–500 mV mutta joissakin LDO:issa jopa 1,5 V. V_DROPOUT ja marginaalijännite tulee ottaa huomioon määritettäessä eroa tulo- ja lähtöjännitteiden välillä.

Löydät lisätietoja LDO:n suunnittelemisesta akku- ja paristokäyttöisille laitteille artikkelista Käytä edistyneitä LDO:ita vastaamaan langattomien IoT-antureiden virransyötön suunnittelun haasteisiin.

LDO:n suorituskyvyn optimointi

Kuten yllä osoitettiin, vähävirtaisen laitteen suunnittelussa on hyvä minimoida jännite-ero LDO:n yli, sillä saatavat säästöt voivat pidentää akunkestoa huomattavasti. Muutakin on kuitenkin tehtävissä, kun virtabudjetti on erittäin rajallinen.

Eräs huomioitava alue on tehon kulutus silloin, kun puettava laite on matalan tehon tilassa tai ”lepotilassa”, kuten silloin kun laite ei käytä mikrokontrolleria, lähetin-vastaanotinta tai GPS:ää. Vaikka lopputuotteen virrankulutus on tässä tilassa alhainen, LDO:n tulee pysyä aktiivisena, jotta latenssi on mahdollisimman pieni käyttäjän painaessa toimintapainiketta tai aktivoidessa kosketusnäytön.

Kun puettava laite on lepotilassa, I_OUT on pieni, jolloin I_GND-virran merkitys hyötysuhteelle on suurempi kuin normaalin käytön aikana. Koska laitteen kuorma on vähäinen, todellinen tehonkulutus ei ole suuri, mutta se on kuitenkin jatkuva ja vaikuttaa merkittävästi akunkestoon pitemmän ajan kuluessa. Hyvän suunnittelukäytännön mukaan kannattaa valita LDO, joka täyttää vaatimukset, mutta jonka sisäinen tehonkulutus on mahdollisimman pieni. Näin häviöt I_OUT-virran ollessa alhainen saadaan minimoitua.

Vielä parempaa on se, että useimmat modernit LDO:t tarjoavat mahdollisuuden asettaa laite sammutustilaan vetämällä tietty nasta alas. Tällöin laite erotetaan kokonaan kuormasta, jolloin I_OUT on vain I_GND.

Esimerkiksi Microchipin MCP1811A:ssa on sammutustulo (”SHDN”), jolla LDO:n lähtöjännite voidaan kytkeä pois tai päälle (kuva 2). Laite toimii 1,8–5,5 voltin tulojännitteellä ja tarjoaa yhdeksän kiinteää lähtöjännitettä välillä 1–4 volttia. LDO:n V_DROPOUT on 400 mV, lähtövirta on enimmillään 150 mA, I_Q on 250 nA ja sen I_GND on 80 µA (kun I_OUT = 150 mA, V_IN = 5 volttia ja V_OUT = 4 volttia).

Kuvaaja: Microchip MCP1811A:ssa on sammutustila. Reaktioaika SHDN-nastan vetämisestä ylös reguloidun jännitesyötön käynnistymiseen on 600–1400 µs. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Kun SHDN-tulo on ylhäällä (vähintään 70 % V_IN-jännitteestä), LDO:n lähtöjännite kytkeytyy ja laite syöttää reguloitua jännitettä. Kun SHDN-tulo vedetään alas (enintään 20 % V_IN-jännitteestä), reguloitu jännitteen syöttö katkaistaan ja LDO siirtyy matalavirtaiseen sammutustilaan, jossa tyypillinen I_Q on 10 nA ja I_GND on noin 2 µA.

MCP1181A:n sammutustilan ilmeinen hyvä puoli on tehonsäästö, mutta huono puoli on käynnistysajan vaikutus järjestelmän vasteeseen. Sen varmistamiseksi että LDO ei kytkeydy päälle SHDN-nastaan tulevasta kohinasta ja tuhlaa näin akun virtaa, sammutuspiirissä on 400 mikrosekunnin (μs) viive SHDN-tulon nousevasta reunasta ennen kuin regulaattori kytkeytyy päälle. Tämä on toimintonäkökulmasta hyvä ajatus, mutta se vaikuttaa vasteeseen. Jos SHDN-tulo pysyy edelleen viiveen jälkeen ylhäällä, regulaattori alkaa varata kuormakondensaattoria samalla kun lähtö nousee 0 voltista lopulliseen arvoonsa. Siksi kokonaisaika SHDN-tulon aktivoitumisesta siihen, että lähdöstä saadaan reguloitu jännite, on sisäänrakennetun 400 μs:n viiveajan sekä lähtöjännitteen nousuajan summa. Nousuaika riippuu V_OUT-jännitteestä ja voi vaihdella välillä 200–1000 μs.

Myös ON Semiconductorin kaksitilainen XDFN4-koteloitu LDONCP171 voidaan asettaa sammutustilaan vetämällä sen ENA-nasta alas (alle 0,4 volttia). LDO:n kiinteä lähtöjännite on 0,6–3,3 volttia ja sen tulojännite on 1,7–5,5 volttia. V_DROPOUT on 110 mV. NCP171:ssä on kuitenkin hienostuneempi akunkestoa parantava järjestelmä, joka auttaa parantamaan reagointia siirryttäessä matalan tehon tilasta normaaliin toimintaan tarvittavaan reguloituun jännitteeseen.

Aktiivisessa tilassa LDO voi syöttää jopa 80 mA, mutta matalan tehon tilassa LDO:n reguloitua lähtöjännitettä ei kytketä pois päältä. Sen sijaan I_OUT rajoitetaan enintään 5 mA:ksi. Koska regulointiin käytetään LDO:n eri osaa, I_GND vähenee huomattavasti ja akunkesto paranee. Matalan tehon tila (ja aktiivinen tila) voidaan valita LDO:n ECO-nastalla (kuva 3).

Kuva 3: ON Semiconductorin NCP171 voidaan vaihtaa ECO-nastalla aktiivisesta tilasta matalan tehon tilaan. Matalan tehon tilassa I_OUT-virran enimmäisarvo on 5 mA, samalla kun I_GND laskee huomattavasti. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Kun ECO-nasta vedetään alas (maahan), LDO siirtyy matalan tehon tilaan. I_Q vähenee 55 µA:sta 50 nA:iin. Vaikutus I_GND-virtaan on yhtä merkittävä: aktiivisessa tilassa I_GND = 420 µA (I_OUT = 80 mA), kun taas matalan tehon tilassa I_GND = 2,5 µA (I_OUT = 5 mA). Tehohäviö tässä tilassa on vain hieman suurempi kuin laitteen ollessa sammutustilassa. Matalan tehon virrankulutusta on mahdollista alentaa entisestään laskemalla aktiivisen tilan nimellinen lähtöjännite johonkin ennalta asetetuista 50, 100, 150 tai 200 millivoltin arvoista.

Matalan tehon tilan keskeisin etu on reaktioaika tarvittaessa normaalia reguloitua jännitettä. Kun ECO-nasta vedetään ylös (sama kuin V_OUT), se kytkee laitteen aktiiviseen tilaan ja palauttaa NCP171 LDO:n reguloituun jännitteeseen sekä enintään 80 mA:n I_OUT-virtaan alle 100 µs:n sisällä (kuva 4).

Kuva 4: NCP171:n vaihto matalan tehon tilasta aktiiviseen tilaan palauttaa reguloidun jännitteen alle 100 µs:n kuluessa. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

Käynnistyessään NCP171 siirtyy oletusarvoisesti aktiiviseen tilaan riippumatta ECO-nastan tilasta, jotta se voi nopeasti saavuttaa ja stabiloida lähtöjännitteen. Tämän pakotetun aktiivisen tilan kesto on yleensä 35 millisekuntia (ms), ja se takaa lähtökondensaattorin nopean varauksen sekä I_OUT-virran nopean nousun kuormaa vastaavaksi.

Matalan tehon tilassa toimimisella on joitakin haittapuolia: PSRR-arvo, joka mittaa LDO:n kykyä poistaa syöttöjännitteen piikkejä, laskee ja kohina lisääntyy hieman (kuva 5).

Kuva 5: Kun NCP171 toimii matalan tehon tilassa, PSRR on alempi aktiiviseen tilaan verrattuna. (Kuvan lähde: ON Semiconductor)

NCP171 LDO:n mukana toimitetaan STR-NCP171-EVK-arviointisarja (EVK). EVK on suunniteltu käytettäväksi ON Semiconductorin Strata Developer Studio -nimisen tietokoneella toimivan integroidun kehitysympäristön (IDE) kanssa. EVK yhdistetään IDE-ympäristöön USB-kaapelin avulla, jonka jälkeen sillä voidaan kokeilla LDO:n ominaisuuksia, esimerkkinä LDO:n kytkeminen päälle ja pois sekä vaihto aktiivisen ja matalan tehon tilan välillä.

EVK:n ja IDE:n avulla suunnittelija voi konfiguroida ja valvoa myös muita LDO:n toimintaparametreja, esimerkkinä tulo- ja lähtöjännite, tehohäviö sekä laitteen lämpötila.

Yhteenveto

Huolellisesti valittu LDO helpottaa puettavan laitteen teholähteen suunnittelua ja varmistaa samalla stabiilin jännitteen ja sähkövirran. Suunnittelija voi päästä lähelle hakkuriregulaattorin hyötysuhdetta valitsemalla maavirraltaan matalan LDO:n ja minimoimalla tulo- ja lähtöjännitteen välisen eron.

Puettavien laitteiden akunkestoa voi parantaa entisestään valitsemalla uuden sukupolven LDO:n, jossa on erilaisia toimintatiloja. Ne valitaan tietyn nastan kautta, ja ne on suunniteltu rajoittamaan tehohäviötä, kun puettava laite on pitkän aikaa lepotilassa. Puolijohteiden valmistajat toimittavat yleensä LDO:n kanssa arviointityökalut, joilla suunnittelija voi etsiä laitteelle parhaat asetukset akunkeston maksimoimiseksi.