Wie wichtig sind LDOs mit niedrigem Iq-Wert für eine lange Batterielebensdauer in Wearables?

Die Verwendung von Linearreglern mit niedrigem Spannungseinbruch (LDOs) und niedrigem Ruhestrom (I_q) kann die Batterielebensdauer in Wearables und drahtlosen Geräten für das Internet der Dinge (IoT) verlängern, aber es gibt Kompromisse bei der Performance. Dazu gehören das Einschwingverhalten, das Rauschverhalten und der Ausgangsleistungsbereich. Außerdem wird der Ruhestrom manchmal mit dem Abschalt- oder Sperrstrom (I_d) verwechselt. Sie sind nicht dasselbe, und es muss ein Gleichgewicht zwischen beiden gefunden werden. Und natürlich nützt weder eine I_q- noch eine I_d-Optimierung viel, wenn das gesamte Systemdesign nicht für einen stromsparenden Betrieb optimiert ist.

Wir werden hier den Unterschied zwischen I_q und I_d hervorheben und kurz erörtern, welche Auswirkungen beide auf die Verlustleistung haben. Anschließend werden einige dieser Performanceabwägungen diskutiert, bevor wir mit einigen beispielhaften LDOs von Microchip und Texas Instruments schließen, einschließlich eines Demoboards.

Der Unterschied zwischen Ruhezustand und Abschaltung

Bereitschaft ist der Unterschied zwischen Ruhezustand und Abschaltung. Im Ruhezustand befindet sich das System in einem stromsparenden, aktiven Zustand und ist betriebsbereit. Während des Zustands der Abschaltung, der manchmal auch als Deaktivierungsmodus bezeichnet wird, befindet sich das System im Schlafzustand und ist nicht sofort betriebsbereit. Der Unterschied ist besonders wichtig bei batteriebetriebenen Systemen, wie z. B. drahtlosen Schlössern, die lange Zeit (oft >99 % der Zeit) im Standby-Modus arbeiten und große Unterschiede zwischen Standby- und aktivem Stromverbrauch aufweisen (Abbildung 1). Der Ruhestrom kann zur Berechnung der Leistung bei geringer Last verwendet werden, während der Abschaltstrom zur Bestimmung der langfristigen Batterielebensdauer herangezogen werden kann.

Abbildung 1: Bei vielen drahtlosen IoT-Geräten, wie diesem drahtlosen Schloss, gibt es große Unterschiede zwischen Aktiv- und Standby-Stromverbrauch. (Bildquelle: Texas Instruments)

Bei Komponenten wie LDOs kann es einen erheblichen Unterschied zwischen I_q und I_d geben. Ein LDO kann zum Beispiel einen I_q von 25 Nanoampere (nA) und einen I_d von 3 nA aufweisen. In einem anderen Fall kann ein LDO einen I_q von 0,6 Mikroampere (µA) und einen I_d von 0,01 µA aufweisen. Natürlich ist das Ganze noch ein wenig komplizierter:

• Die Betriebstemperatur kann I_q und I_d beeinflussen. Dies kann bei Geräten, die über längere Zeit bei höheren Temperaturen eingesetzt werden, ein wichtiger Aspekt sein.
• Komponenten mit niedrigem I_q können längere Reaktionszeiten auf dynamische Laständerungen haben. Dieser Faktor ist von LDO zu LDO sehr unterschiedlich.
• Komponenten mit niedrigem I_q können internes Rauschen erzeugen, das bei rauschempfindlichen Anwendungen ein wichtiger Faktor sein kann.
• Selbst LDOs können erhebliche Wärme erzeugen, weshalb es wichtig ist, die Richtlinien des Datenblatts für Layout und Wärmemanagement zu befolgen. Andernfalls kann die Performance von I_q und I_d beeinträchtigt werden.
• Der niedrigste I_q ist nicht unbedingt die beste Wahl. Wenn der Unterschied zwischen I_q und Stromaufnahme im Betriebszustand mehr als zwei Größenordnungen beträgt, kann ein kostengünstigerer LDO mit einem höheren I_q eine gute Wahl sein.

150mA-LDO mit niedrigem I_q und Demoboard

Entwickler von Systemen mit einer einzigen Lithium-Ionen-Batterie, die einen LDO benötigen, der für Eingangsspannungen von 1,4 bis 6,0 Volt ausgelegt ist und einen Strom von bis zu 150 Milliampere (mA) liefert, können LDOs wie den MCP1711 von Microchip Technology in Betracht ziehen. Dieser Baustein hat einen typischen I_q von 0,6 µA und einen I_d von 0,01 µA. Wenn der Abschaltmodus aktiviert ist, wird der Ausgangskondensator über einen speziellen Schalter im MCP1711 entladen, um die Ausgangsspannung schnell auf Null zu reduzieren. Der MCP1711 hat einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85°C.

Um den Betrieb des MCP1711 über einen breiten Eingangsspannungs- und Lastbereich zu untersuchen, können Entwickler das Demoboard ADM00672 verwenden, das zwei Spannungsoptionen und zwei Gehäuseoptionen umfasst:

• 1,8 V_out mit einem Eingangsbereich von 3,2 bis 6,0 Volt in einem fünfpoligen SOT-23-Gehäuse
• 3,3 V_out mit einem Eingangsbereich von 4,0 bis 6,0 Volt in einem vierpoligen 1x1-UQFN-Gehäuse

Das Demoboard verfügt über zwei isolierte Schaltungen, die unabhängig voneinander getestet werden können (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Demoboard MCP1711 enthält zwei unabhängige Schaltungen, die 1,8 Volt (oben) und 3,3 Volt (unten) liefern. (Bildquelle: Microchip Technology)

Schnelles Einschwingverhalten und niedriger I_q

Für Systeme, die von schnellem Einschwingverhalten und niedrigem I_q profitieren, steht der TPS7A02 von Texas Instruments zur Verfügung. Er ist für 200 mA mit einem I_q von 25 nA und einem I_d von 3 nA ausgelegt. Er unterstützt einen Ausgangsspannungsbereich von 0,8 bis 5,0 Volt, der in 50mV-Schritten programmierbar ist. Dieser LDO hat ein typisches Einschwingverhalten von weniger als 10 Mikrosekunden (μs) Einschwingzeit, mit 100 mV Unterschwingung bei einem Lastsprung von 1 mA auf 50 mA. Wie in Abbildung 3 dargestellt, unterscheidet sich sein Ansprechverhalten bei steigender und fallender Last. Die Sperrschichttemperatur des TPS7A02 ist von -40 bis +125°C spezifiziert.

Abbildung 3: Die dynamischen Lastgangkennlinien des TPS7A02 unterscheiden sich bei Laststeigerungen (links) und Lastsenkungen (rechts). (Bildquelle: Texas Instruments)

Fazit

Der I_q ist eine wichtige Eigenschaft für eine lange Batterielebensdauer, aber er ist nur einer von mehreren Faktoren, die zu berücksichtigen sind. Je nach Betriebsprofil und Stromverbrauchsmuster eines Geräts ist auch I_d ein wichtiger Faktor. Es gibt eine Reihe von Faktoren, wie z. B. die Betriebstemperatur, die sich sowohl auf I_q als auch auf I_d auswirken, und es gibt einen optimalen Bereich für Iq und Id. Weniger ist nicht immer auch besser.

Empfohlene Literatur:

Entwicklung von energieeffizienten immer aktiven Wearables: Teil 1 – Optimierung des Mikrocontrollers