Utilisation de régulateurs LDO avancés pour répondre aux défis de conception d'alimentations de capteurs sans fil IoT

L'Internet des objets (IoT) s'appuie en grande partie sur un réseau de capteurs sans fil qui surveille des paramètres comme la température, l'humidité, la pression, les vibrations, l'accélération, la qualité de l'air et l'intensité lumineuse. Ces capteurs sans fil utilisent des technologies RF à courte portée, comme Bluetooth Low Energy (BLE) ou Zigbee, qui se caractérisent par des échanges de données à faible rapport cyclique et à faibles volumes. (Consultez l'article « Comparaison des technologies sans fil basse consommation » dans la bibliothèque d'articles.)

Le modèle d'utilisation et le profil de puissance de ces dispositifs de détection sans fil présentent des défis uniques pour les concepteurs en ce qui concerne la taille, le coût, la fiabilité, la stabilité et le rendement de l'alimentation.

Cet article décrit la source de ces défis. Il introduit ensuite quelques-unes des dernières solutions de régulateur linéaire à faible chute de tension (LDO) et explique pourquoi elles peuvent offrir une bonne base pour l'alimentation d'un capteur IoT sans fil. Cet article comporte également des consignes pour que les concepteurs puissent tirer pleinement parti de ces dernières solutions afin d'augmenter leurs chances de réussir leur conception.

Régulateur à découpage ou LDO ?

Les capteurs IoT sans fil représentent un défi pour les concepteurs d'alimentations pour les raisons suivantes :

• Ils sont généralement alimentés par des cellules de batterie de taille modeste, mais la batterie doit tout de même avoir une longue durée de vie.
• Ils passent de longues périodes en mode veille basse consommation, avant de s'activer rapidement pour transmettre et/ou recevoir des données, pour ensuite retourner en mode veille.
• Ils intègrent généralement un émetteur-récepteur RF et un microcontrôleur dans une seule puce.
• Ils mesurent les petites variations de signaux.
• Comme ils sont déployés en grand nombre, ils doivent être relativement économiques et exiger une maintenance réduite.

Pour alimenter un capteur, trois options s'offrent au concepteur : un régulateur à découpage, un régulateur à faible chute de tension (LDO) ou une combinaison des deux. Ce choix n'est pas simple, car chacune des options nécessite des compromis.

Par exemple, les régulateurs à découpage offrent un rendement élevé, ce qui leur permet de prolonger la durée de vie des batteries. Toutefois, ils sont moins efficaces à faibles charges, notamment lorsqu'un capteur sans fil est en mode veille, un mode très utilisé pour économiser de l'énergie. En outre, les régulateurs à découpage sont plus complexes, ce qui augmente le coût potentiel et les délais de conception. Les interférences électromagnétiques (EMI) causées par le fonctionnement haute fréquence du régulateur à découpage peuvent également affecter le microcontrôleur et l'émetteur-récepteur du système sur puce (SoC) sans fil sensible. Enfin, ces interférences peuvent également perturber les petites variations de signaux provenant du capteur et réduire la précision de la mesure.

Au contraire, les régulateurs linéaires LDO génèrent très peu d'interférences électromagnétiques et leur utilisation est relativement simple et économique. Cependant, sur une plage de charges et de tensions d'entrée variables, les LDO sont généralement moins efficaces que les régulateurs à découpage. En outre, ils peuvent être utilisés uniquement dans une configuration de type abaisseur, alors que le régulateur à découpage offre une topologie abaisseur-élévateur. Cela peut limiter la capacité accessible de la batterie.

Les LDO ont également tendance à présenter une réponse transitoire modérée aux changements rapides de charge, par exemple lorsqu'un émetteur-récepteur sans fil s'active rapidement depuis le mode veille. Cela entraîne des pics de tension qui risquent d'endommager les circuits du capteur.

Pour tirer parti du rendement du régulateur à découpage et de la stabilité du rail de tension ainsi que du point de charge (PoL) fiable du LDO, les deux approches sont souvent combinées. Une topologie de ce type est pourtant plus complexe, avec les défis que cela représente en termes de coût, de taille, de configuration et de gestion du stock.

Au lieu d'associer les deux approches, les concepteurs peuvent sélectionner un seul LDO, tout en s'assurant que son fonctionnement offre un rendement conforme aux exigences de conception. Deux caractéristiques sont essentielles : la « tension de relâchement » (ou V_DROPOUT) et le différentiel de tension entrée/sortie moyen.

L'importance du « relâchement »

Avec un régulateur linéaire traditionnel, les fonctionnalités sont compromises une fois que la chute de tension entrée/sortie atteint la surcharge de tension du transistor, qui est d'environ 2 V. Cela réduit le rendement.

Dans un LDO standard, le transistor NPN ou le MOSFET type N, utilisé comme élément de commande de série dans un régulateur linéaire traditionnel, est remplacé par un transistor PNP ou un MOSFET type P (Figure 1). Cela modifie le circuit, qui devient alors une source de courant et non un émetteur suiveur (source).

Figure 1 : Dans un LDO, l'élément de régulation est un MOSFET type P qui peut fonctionner à un niveau proche de la saturation. Le rendement est ainsi amélioré en réduisant la tension V_DROPOUT, par rapport aux régulateurs linéaires conventionnels. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le MOSFET type P est capable de fonctionner à un niveau proche de la saturation, ce qui diminue considérablement la différence de tension entrée/sortie minimum. Il s'agit de la « tension de relâchement », ou V_DROPOUT, à laquelle le dispositif peut correctement réguler la tension de sortie. Pour un LDO correct, la tension V_DROPOUT est généralement de moins de 200 mV.

L'introduction d'une nouvelle génération de LDO offre au concepteur une tension V_DROPOUT encore plus faible, de façon à optimiser le rendement, à réduire le courant en mode veille et à améliorer la capacité accessible de la batterie. Comme mentionné plus haut, les capteurs sans fil passent une grande partie de leur temps en mode veille. Cela permet d'économiser de l'énergie, mais comme le temps passé en mode veille peut atteindre 99 %, la capacité de relâchement inférieure pour réduire le courant en mode veille est un paramètre très important pour assurer une longue durée de vie des batteries.

Suppression du bruit et de l'ondulation

Les LDO plus récents présentent également une meilleure réponse de tension transitoire et un meilleur filtrage de l'ondulation d'entrée pour une alimentation plus stable, tout en offrant également un meilleur taux de réjection de l'alimentation (PSRR). Le concepteur pourra ensuite améliorer la réponse transitoire du LDO en augmentant la valeur et en diminuant la résistance série équivalente (ESR) du condensateur de sortie, tout en tenant compte d'éléments comme l'empreinte, le volume et le coût.

Le taux PSRR permet de mesurer la capacité d'un circuit à supprimer les signaux parasites (bruit et ondulation) sur l'entrée de l'alimentation. Il n'existe aucune définition standard, mais le processus est couramment défini comme le taux de variation de la tension d'alimentation par rapport à la tension de sortie équivalente (différentielle) produite (en décibels, dB).

Le taux PSRR est lié à la fréquence. Le taux de référence pour un LDO correct se situe entre 60 et 110 dB à 1 kHz (Figure 2).

Figure 2 : Le graphique montre la réponse en fréquences PSRR pour un LDO hautes performances : un taux de référence pour un LDO correct se situe entre 60 et 110 dB à 1 kHz. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour une entrée à courant continu (CC) alimentée par batterie, comme celle susceptible d'être utilisée dans un capteur sans fil, les signaux parasites sont beaucoup moins fréquents qu'avec une alimentation CA, mais peuvent quand même exister. Un LDO doté d'un taux PSRR correct est un investissement rentable pour ce type d'application, car il garantit la stabilité de la tension.

Considérations de conception d'alimentation de capteur sans fil

Tandis que la nouvelle génération de LDO offre une solution prometteuse pour alimenter les capteurs sans fil, il est important de comprendre que ces dispositifs présentent également des caractéristiques qui doivent être prises en compte pendant le processus de conception. Par exemple, un régulateur linéaire ne peut pas inverser une alimentation, ainsi une tension d'entrée négative sera nécessaire si le circuit à alimenter requiert une tension négative.

Un autre élément à prendre en compte dans les applications de détection sans fil, où la durée de vie de la batterie est très importante, est le fait que les LDO fonctionnent uniquement dans des configurations de type abaisseur. Cette restriction implique que la tension d'entrée de la batterie soit supérieure à la tension la plus élevée requise par les composants électroniques du capteur.

Pour un système sur puce BLE typique utilisé pour la détection sans fil, comme le DA14585 de Dialog Semiconductor ou le nRF52832 de Nordic Semiconductor, une tension d'entrée minimum de 1,5 V à 1,7 V est requise avec une alimentation de type abaisseur.

Cela a des conséquences sur le choix initial de la batterie : une seule cellule nickel-cadmium (NiCad) AA fournissant 1,2 V n'est pas une option. Cela affecte également la capacité totale accessible de la batterie car une batterie peut encore avoir une certaine charge lorsque la tension est tombée en dessous du minimum requis par le SoC sans fil. Ces facteurs doivent être pris en compte lors du choix d'une batterie, bien que la solution la plus courante pour les applications de capteur sans fil soit la pile bouton lithium-manganèse de 3 V, 225 mAh CR2032 de Panasonic. Cette pile se caractérise par son poids léger (2,9 grammes), sa capacité de décharge élevée, sa tension stable pendant la décharge et sa fiabilité à long terme.

Limiter la tension de relâchement pour améliorer le rendement du LDO

Bien qu'un LDO soit généralement moins efficace qu'un régulateur à découpage, son rendement s'améliore lorsque la différence entre la tension d'entrée et de sortie diminue ; rendement = V_OUT/V_IN. Cela s'explique par le fait qu'avec une différence de tension plus faible, moins de puissance se trouve dissipée dans le circuit interne du LDO. L'avantage supplémentaire est que cela réduit les problèmes liés à la chaleur. Un LDO peut effectivement fonctionner avec un rendement de 95 % à 99 % si le différentiel de tension est assez faible.

La bonne approche de conception à adopter est de faire un compromis entre le rendement et la capacité accessible de la batterie en sélectionnant des tensions d'entrée et de sortie appropriées. Il semble inutile d'optimiser le rendement en réduisant l'écart entre les tensions d'entrée et de sortie si le LDO relâche alors qu'il reste encore une quantité d'énergie significative dans la batterie.

Cela nous amène à la question : quand le LDO atteint-il sa tension de relâchement ? À V_DROPOUT, l'élément de régulation du LDO (le transistor PNP d'un MOSFET type P) agit comme une résistance dont la valeur est égale à la résistance à l'état passant (RDS_ON) drain-source du transistor. Pour un courant de charge donné (I_LOAD), V_DROPOUT = I_LOAD × RDS_ON.

Pour le type de transistor PNP ou MOSFET type P utilisé dans les LDO actuels, la valeur RDS_ON équivaut environ à 1 ohm (Ω). La bonne nouvelle est que pour un capteur sans fil standard, les courants de fonctionnement sont modestes, ce qui fait que la tension V_DROPOUT est également assez faible. Par exemple, la charge de courant moyenne typique pour une application de capteur sans fil est de 190 µA. Par conséquent, V_DROPOUT = 190 µA x 1 Ω = 190 µV. Pendant la transmission de données sans fil, le courant de charge I_LOAD pour le SoC sans fil pourrait, par exemple, grimper à 7,5 mA, ce qui augmenterait la tension V_DROPOUT à 7,5 mV. Un résultat plus significatif, mais toujours relativement faible.

Cependant, le concepteur doit noter que V_DROPOUT est le point où le LDO n'est plus en mesure de réguler la tension d'alimentation. Pour répondre à l'ensemble de ces spécifications, le LDO requiert généralement une « marge de tension » supplémentaire. Cette marge ajoute normalement de 250 mV à 500 mV à V_DROPOUT, mais peut également atteindre 1,5 V pour certains LDO. Les fournisseurs peuvent répertorier la marge de tension dans leur fiche technique.

Lorsque le capteur sans fil est en mode veille ultrabasse consommation, ne nécessitant pratiquement aucun courant pour rester « actif », le LDO continue à consommer du courant. Pour un LDO correct, ce courant de repos est généralement de l'ordre des microampères. Ce chiffre peut sembler insignifiant, mais sur une longue durée, cette consommation de courant peut avoir un impact considérable sur la durée de vie de la batterie, encore plus étant donné qu'un capteur sans fil passe la plus grande partie de sa durée de vie en veille, jusqu'à 99 % du temps, comme indiqué ci-dessus. Ce problème est amplifié lorsqu'une installation utilise des dizaines de capteurs. La durée de vie de la pile est une préoccupation majeure pour éviter des remplacements fréquents et coûteux.

Il est également important qu'un LDO utilisé dans une application de capteur sans fil offre une tension transitoire et une réponse de charge optimales. Un facteur clé dans la gestion du bilan énergétique d'un capteur sans fil est de s'assurer que lorsque le dispositif a besoin d'envoyer ou de recevoir des données, il le fait aussi rapidement que possible pour minimiser la durée des courants d'émission/de réception relativement élevés. En mode veille, le SoC sans fil consomme seulement quelques dizaines de nanoampères, mais lors de la transmission/réception, le courant s'élève rapidement de deux ordres de grandeur.

La réponse transitoire d'un LDO à ce phénomène est définie par la variation de la tension de sortie pour une variation rapide du courant de charge (Figure 3).

Figure 3 : La réponse de tension transitoire pour une variation rapide de la charge de sortie est une mesure critique des performances du LDO pour les applications de capteur sans fil. Il s'agit ici de la réponse pour un LDO hautes performances. (Source de l'image : Maxim Integrated)

L'influence majeure sur la réponse transitoire est le gain bande passante de la boucle de rétroaction de contrôle du LDO. Si le transitoire de charge est plus rapide que la réponse de la boucle de compensation, des oscillations peuvent survenir et provoquer des interférences électromagnétiques. Un problème clé dans les applications de capteur sans fil à faible charge est qu'il existe une zone dans laquelle les régulateurs LDO traditionnels souffrent d'un gain de boucle inférieur. Certains LDO plus récents utilisent un circuit en mode de faible courant pour augmenter le gain de boucle en conditions de charge nulle ou très faible, permettant ainsi d'améliorer la réponse transitoire jusqu'à un courant de sortie nul.

Les LDO relèvent le défi des capteurs sans fil

Voici les paramètres de fonctionnement principaux d'un LDO régulant la tension d'un capteur sans fil :

• Faible RDS_ON (pour minimiser la tension V_DROPOUT sur la plage de courants de fonctionnement)
• Faible tension de surcharge
• Faible courant de repos
• Bon taux PSRR
• Bonne réponse de charge transitoire
• Bon gain de boucle à faible charge

D'autres facteurs sont également importants, comme les dimensions du boîtier, le nombre de composants périphériques requis et le coût.

Le LDO TPS7A10 de Texas Instruments constitue une bonne option pour les applications de capteur sans fil. Il est fourni dans un boîtier compact de 1,5 mm x 1,5 mm, présente une plage de tensions d'entrée de 0,75 V à 3,3 V et une plage de sortie de 0,5 V à 3,0 V. Il est stable dans une plage de 1,5 % sur les variations de charge, de ligne et de température spécifiées. La plage de sortie convient parfaitement aux exigences de tension d'entrée des exemples de Dialog Semiconductor ou Nordic Semiconductor décrits ci-dessus (1,5 V à 3,6 V).

En conditions de fonctionnement de capteur sans fil typiques, la valeur V_DROPOUT de la puce de TI est de seulement quelques dizaines de millivolts [70 mV (max.) à 300 mA (V_OUT > 1,0 V)] et la surcharge de tension du LDO est d'environ 250 mV. Le LDO peut fournir 300 mA et le courant de repos est de quelques microampères. TI suggère également l'utilisation du LDO pour alimenter les tensions de cœur inférieures des processeurs utilisés dans les capteurs analogiques. Le taux PSRR du LDO est de 60 dB (à 1 kHz). TI a amélioré la réponse transitoire en intégrant des circuits en mode de faible courant qui augmentent le gain de boucle en conditions de très faibles charges.

À des fins d'expérimentation et dans le but d'aider les concepteurs à démarrer, TI fournit également le module d'évaluation TPS7A10EVM-004. Il comprend un seul LDO et permet aux ingénieurs d'évaluer facilement le fonctionnement et les performances du TPS7A10 dans différentes conditions de fonctionnement (Figure 4).

Figure 4 : Le module d'évaluation TPS7A10EVM-004 de TI permet aux ingénieurs de facilement évaluer le LDO TPS7A10, tout en fournissant des consignes de conception thermique et de configuration. (Source de l'image : Texas Instruments)

Maxim Integrated propose également une bonne solution de LDO pour les applications de capteur sans fil, le MAX8636ETA+. Le dispositif est fourni dans un boîtier de 2 mm x 2 mm et fonctionne à partir d'une tension d'entrée de 2,7 V à 5,5 V. Le LDO offre deux sorties : une configurable de 2,6 V à 3 V et une autre configurable de 1,5 V à 2,8 V. Elles peuvent toutes les deux délivrer jusqu'à 300 mA. La tension V_DROPOUT est de l'ordre de dizaines de millivolts (90 mV max. à 100 mA) avec une charge SoC sans fil typique. Le courant de repos typique est d'environ 54 μA avec les deux LDO activés. Le taux PSRR du MAX8636ETA+ est de 60 dB (à 1 kHz) et la réponse de charge transitoire est correcte.

Lorsqu'un rail de tension négatif est requis, le LDO à taux PSRR ultra-élevé et à bruit ultrafaible LT3094 d'Analog Devices convient parfaitement. À part son entrée de tension négative de -1,8 V à -20 V, ses autres caractéristiques sont semblables à celles des dispositifs de TI et de Maxim Integrated. Il mesure 3 mm x 3 mm et sa sortie atteint -19,5 V. Le courant de sortie peut atteindre 600 mA (max.).

La tension V_DROPOUT du LT3094 est de 200 mV pour un courant de moins de 100 mA, son courant de repos est de 3 µA et son taux PSRR est de 60 dB à 1 kHz, avec une réponse transitoire également correcte. Le dispositif peut fonctionner en parallèle avec un autre LDO LT3094 pour réduire le bruit.

Analog Devices fournit une carte de démonstration pour le LT3094, la carte DC2624A, qui constitue un guide pratique pour obtenir une configuration de circuit et une nomenclature (BOM) optimales, pour minimiser le bruit et maximiser le taux PSRR du LDO.

Exemple d'implémentation pratique

Les LDO de TI, de Maxim Integrated et d'Analog Devices conviennent tous à la régulation de tension d'un capteur sans fil doté utilisant un SoC, comme les dispositifs de Dialog Semiconductor ou de Nordic Semiconductor décrits ci-dessus. Considérons par exemple une application simple où le SoC est le principal consommateur d'énergie de la pile, avec le modèle de pile CR2032 de Panasonic. Le SoC sans fil fonctionne à partir d'une tension d'entrée de 1,5 V à 3,6 V. La pile fournit initialement une tension nominale de 3 V.

Si la sortie du LDO choisi est de 2,5 V, la spécification de tension d'entrée du SoC sans fil est satisfaite. Le rendement du LDO lorsque la pile est complètement chargée (fournissant 3 V) est de 83 % ; après 1 000 heures de fonctionnement à 20°C et un courant de fonctionnement moyen du capteur sans fil de 190 µA, la pile fournit encore environ 2,7 V et le rendement passe alors à près de 93 %.

En supposant une réduction à peu près linéaire de la sortie de tension durant les 1 000 heures de fonctionnement, le rendement moyen du LDO (à une charge constante de 190 µA) est de 88 %. Avant la perte de niveau, environ 74 % (rendement moyen de 88 % x capacité accessible de 84 %) de l'énergie de la pile a été utilisée pour alimenter le capteur (Figure 5).

Figure 5 : Une pile CR2032 présentant une charge de courant moyen de capteur sans fil typique de 190 µA, avec un fonctionnement à 20˚C, peut maintenir une tension de 2,7 V pendant 1 000 heures. (Source de l'image : Panasonic)

Conclusion

Les capteurs IoT sans fil vont continuer d'être utilisés en grand nombre, c'est pourquoi les concepteurs doivent penser à des solutions pour réduire la consommation d'énergie, que ce soit en fonctionnement ou en mode veille.

Bien qu'un régulateur à découpage soit généralement plus efficace, le profil de puissance et le mode d'utilisation d'un dispositif de détection sans fil font rapidement chuter cet avantage de rendement par rapport à un LDO. De plus, l'introduction d'une nouvelle génération de LDO comble cet écart de rendement, tout en offrant également un taux PSRR amélioré et une réponse de charge transitoire plus rapide.

Avec la simplicité de conception, la rentabilité, le format compact et le faible bruit du LDO, son utilisation en tant qu'alimentation autonome pour les capteurs IoT sans fil mérite une attention sérieuse. Toutefois, pour tirer pleinement parti des avantages offerts par le LDO, il est nécessaire d'en sélectionner un qui répond mieux aux exigences de courant et de tension des composants électroniques du capteur sans fil.