Quelle est l'importance des LDO à faible Iq pour une autonomie étendue des dispositifs corporels ?

L'utilisation de régulateurs à faible chute de tension (LDO) linéaires avec un faible courant de repos (I_q) peut prolonger l'autonomie de la batterie des dispositifs corporels et des dispositifs sans fil pour l'Internet des objets (IoT), mais cela implique des compromis en termes de performances. Ces compromis concernent notamment la réponse transitoire, les performances liées au bruit et la plage de puissance de sortie. Par ailleurs, le courant de repos est parfois confondu avec le courant d'arrêt ou de désactivation (I_d). Il ne s'agit pas de la même chose, et il faut parvenir à un équilibre entre les deux. Et bien sûr, il n'est pas très utile d'optimiser le courant I_q ou le courant I_d si la conception globale du système n'est pas optimisée pour un fonctionnement basse consommation.

Nous allons ici expliquer la différence entre I_q et I_d, et aborder brièvement l'impact de chacune de ces valeurs sur la dissipation de puissance. Nous examinerons ensuite certains compromis en termes de performances, avant de terminer en présentant des exemples de LDO de Microchip et de Texas Instruments, avec une carte de démonstration.

Différence entre repos et arrêt

Ce qui différencie le repos et l'arrêt, c'est la disponibilité. Au repos, le système est dans un état actif basse consommation, prêt à fonctionner. À l'arrêt, parfois appelé mode désactivé, le système est en veille et n'est pas prêt à fonctionner immédiatement. Cette différence est particulièrement importante dans les systèmes alimentés par batterie, comme les systèmes de verrouillage sans fil qui passent de longues périodes en veille (souvent plus de 99 % de leur temps) et qui présentent des différences considérables entre la consommation de courant en mode veille et celle en mode actif (Figure 1). Le courant de repos peut être utilisé pour calculer la puissance à faibles charges, tandis que le courant d'arrêt peut être utilisé pour déterminer l'autonomie de la batterie à long terme.

Figure 1 : De nombreux dispositifs IoT sans fil, comme ce système de verrouillage sans fil, présentent des différences considérables entre la consommation de courant en mode actif et celle en mode veille. (Source de l'image : Texas Instruments)

Dans des dispositifs comme les LDO, il peut y avoir une différence considérable entre le courant I_q et le courant I_d. Par exemple, un LDO présente un courant I_q de 25 nanoampères (nA) et un courant I_d de 3 nA. Dans un autre cas, un LDO présente un courant I_q de 0,6 microampère (µA) et un courant I_d de 0,01 µA. Évidemment, ce n'est pas aussi simple :

• La température de fonctionnement peut avoir un impact sur les valeurs I_q et I_d. Il s'agit là d'un point important pour les dispositifs qui seront utilisés pendant de longues périodes à des températures plus élevées.
• Les dispositifs qui présentent un faible courant I_q peuvent avoir des temps de réponse plus longs aux changements de charge dynamique. Ce facteur varie considérablement d'un LDO à l'autre.
• Les dispositifs qui présentent un faible courant I_q peuvent générer du bruit interne, ce qui peut constituer un facteur important dans les applications sensibles au bruit.
• Même les LDO peuvent générer beaucoup de chaleur, et il est donc important de suivre les directives indiquées dans la fiche technique en ce qui concerne la configuration et la gestion thermique. Dans le cas contraire, les performances I_q et I_d peuvent être compromises.
• La valeur I_q la plus basse ne constitue pas forcément la meilleure option. Si la différence entre I_q et la consommation de courant à l'état passant est supérieure à deux ordres de grandeur, un LDO à plus faible coût avec une valeur I_q plus élevée peut être une bonne option.

LDO 150 mA à faible I_q et carte de démonstration

Les concepteurs de systèmes à une seule batterie lithium-ion qui ont besoin d'un LDO répertorié pour des entrées de 1,4 volt (V) à 6,0 V et délivrant jusqu'à 150 milliampères (mA) de courant peuvent envisager des LDO tels que le MCP1711 de Microchip Technology. Ce dispositif présente un courant I_q typique de 0,6 µA et un courant I_d de 0,01 µA. Lorsque le mode d'arrêt est activé, le condensateur de sortie est déchargé via un commutateur dédié dans le MCP1711 afin de réduire rapidement la tension de sortie à zéro. Le MCP1711 présente une plage de températures ambiantes de fonctionnement de -40°C à +85°C.

Pour étudier le fonctionnement du MCP1711 sur une vaste plage de charges et de tensions d'entrée, les concepteurs peuvent utiliser la carte de démonstration ADM00672, qui inclut deux options de tension et deux options de boîtier :

• 1,8 V_out avec une plage d'entrée de 3,2 V à 6,0 V dans un boîtier SOT-23 à cinq sorties
• 3,3 V_out avec une plage d'entrée de 4,0 V à 6,0 V dans un boîtier UQFN 1x1 à quatre sorties

La carte de démonstration est dotée de deux circuits isolés qui peuvent être testés indépendamment (Figure 2).

Figure 2 : La carte de démonstration pour le MCP1711 inclut deux circuits indépendants qui fournissent 1,8 V (en haut) et 3,3 V (en bas). (Source de l'image : Microchip Technology)

Réponse transitoire rapide et faible I_q

Pour les systèmes qui nécessitent une réponse transitoire rapide et un faible courant I_q, les concepteurs peuvent se tourner vers le TPS7A02 de Texas Instruments. Il présente un courant nominal de 200 mA, avec un courant I_q de 25 nA et un courant I_d de 3 nA. Il prend en charge une plage de tensions de sortie de 0,8 V à 5,0 V, programmable par paliers de 50 millivolts (mV). La réponse transitoire typique de ce LDO présente un temps de stabilisation de moins de 10 microsecondes (μs), avec un dépassement négatif de 100 mV pour les changements de charge par paliers de 1 mA à 50 mA. Ses caractéristiques de réponse sont différentes pour les augmentations et les réductions de charge, comme illustré à la Figure 3. La température de jonction du TPS7A02 est spécifiée de -40°C à +125°C.

Figure 3 : Les caractéristiques de réponse de charge dynamique du TPS7A02 sont différentes pour les augmentations de charge (à gauche) et les réductions de charge (à droite). (Source de l'image : Texas Instruments)

Conclusion

Le courant I_q est une caractéristique importante à prendre en compte lors de la conception d'un système capable d'offrir une autonomie prolongée, mais il ne s'agit là que d'un facteur parmi d'autres. Selon le profil de fonctionnement et les schémas de consommation énergétique d'un dispositif, le courant I_d est également un facteur important. De nombreux facteurs, comme la température de fonctionnement, ont une incidence sur les courants I_q et I_d, et il existe une plage optimale pour ces deux courants. Il n'est pas toujours bon d'opter pour des valeurs inférieures.

Lecture recommandée :

Conception de dispositifs corporels toujours actifs basse consommation : 1re partie – Optimisation du microcontrôleur