Usare LDO a bassa dispersione regolabili per estendere la durata della batteria nei progetti di dispositivi indossabili

I regolatori di tensione a commutazione sono famosi per l'alta efficienza e sono quindi molto diffusi per prolungare la durata della batteria di dispositivi indossabili. Ma possono essere elettricamente rumorosi e complessi da integrare in un progetto; inoltre occupano molto spazio e sono relativamente costosi.

I regolatori lineari, invece, forniscono un'uscita priva di ondulazioni e sono semplici, compatti ed economici. Su un ampio intervallo di carico, tuttavia, in genere sono meno efficienti dei regolatori a commutazione, il che incide sulla durata della batteria. Impiegando un regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO) (spesso chiamato semplicemente "LDO") e ottimizzando l'uscita del dispositivo per assicurare che funzioni nella sua regione più efficiente, gli ingegneri possono però ottenere quasi la stessa efficienza complessiva di un regolatore a commutazione.

Rimane comunque un problema non trascurabile: per preservare la durata della batteria, i dispositivi indossabili sono progettati per trascorrere molto tempo in modalità standby a basso consumo. Anche in queste modalità, l'LDO assorbe una corrente interna non indifferente e, per quanto piccolo, questo assorbimento riduce la durata della batteria del prodotto finale.

Per risolvere questo problema è nata una nuova generazione di soluzioni LDO. Utilizzando questi dispositivi, gli ingegneri possono regolare la corrente di uscita e la tensione di diseccitazione per ridurre al minimo la dissipazione di potenza interna quando l'indossabile è in modalità di basso consumo.

Questo articolo mostra come scegliere un LDO per alimentare un indossabile. Spiega quindi come utilizzare una nuova generazione di LDO per massimizzare l'efficienza senza compromettere l'esperienza dell'utente.

LDO o regolatore a commutazione?

Una delle decisioni cruciali nel processo di sviluppo dell'alimentazione di un dispositivo indossabile riguarda la scelta del regolatore. L'ingegnere deve decidere se usare un regolatore a commutazione o un LDO. Entrambi presentano vantaggi e svantaggi, il che può rendere difficile decidere quale utilizzare per una particolare applicazione. A tale proposito, vedere Capire i vantaggi e gli svantaggi dei regolatori lineari.

I dispositivi indossabili sollevano una serie di sfide progettuali che rendono la scelta ancora più difficile:

• Uso di batterie minuscole per facilitare il design compatto
• Esigenza di una batteria di lunga durata
• Necessità di un'alimentazione stabile per alimentare elettronica sensibile
• Rapida riattivazione dopo uno stato di sospensione per migliorare l'esperienza dell'utente

Un regolatore a commutazione efficiente può soddisfare le esigenze di durata della batteria, ma c'è un rovescio della medaglia da non trascurare: il livello relativamente elevato di interferenze elettromagnetiche (EMI) causate dal suo funzionamento ad alta frequenza potrebbe disturbare il microcontroller e il transceiver sensibili del dispositivo indossabile.

Per risolvere questo problema si può utilizzare un regolatore a commutazione per convertire la tensione e aggiungere un LDO in serie per ridurre al minimo il ripple di tensione e corrente dell'uscita del dispositivo. Questa topologia aumenta però la complessità, i costi e le dimensioni del sistema di alimentazione.

In alternativa, si può utilizzare un LDO per un'alimentazione a tensione stabile e massimizzare l'efficienza scegliendo un dispositivo con una bassa dissipazione di potenza interna e riducendo al minimo la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita del regolatore.

Calcolo dell'efficienza dell'LDO

L'efficienza di un LDO è determinata dalla sua corrente di terra (I_GND) e dalle tensioni in ingresso e in uscita (V_IN e V_OUT). La formula per calcolare l'efficienza è:

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

I_GND è la corrente richiesta per il funzionamento dei circuiti interni dell'LDO (la differenza tra la corrente di ingresso e quella di uscita). Una parte fondamentale è la corrente di quiescenza dell'LDO (I_Q), ossia la corrente necessaria per alimentare i circuiti interni dell'LDO quando la corrente del carico esterno è vicina a zero. Include elementi come la corrente di funzionamento dell'amplificatore di errore, il divisore di tensione di uscita e i circuiti di rilevamento di sovracorrente e temperatura.

Dato il loro impatto sull'efficienza, I_GND e I_Q sono delle specifiche chiave nella scheda tecnica di un LDO. Ad esempio, un prodotto idoneo per alimentare un dispositivo indossabile, come l'LDO MCP1811BT-028/OT di Microchip, ha valori di I_GND = 180 µA (su I_OUT = 300 mA) e I_Q = 250 nA. I_Q (e quindi I_GND) aumenta con l'aumentare di I_OUT. Questa relazione viene illustrata chiaramente per il dispositivo LDL112 di STMicroelectronics (Figura 1).

Figura 1: Questo grafico mostra chiaramente la relazione tra corrente di carico e corrente di quiescenza per l'LDO LDL112 di STMicroelectronics. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Per un LDO che soddisfa i carichi tipici di un indossabile che sta registrando e trasmettendo dati (ad esempio, diverse centinaia di milliampere), I_GND è relativamente insignificante rispetto a I_OUT, quindi il fattore chiave da cui dipende l'efficienza diventa la differenza di tensione tra ingresso e uscita.

Ad esempio, l'efficienza di un LDO con V_IN di 5 V e V_OUT di 3,3 V è del 66%. Ma sale fino al 91,7% quando l'alimentazione viene ridotta a 3,6 V. Il consumo energetico dell'LDO può essere calcolato da P = (V_IN - V_OUT) x I_OUT.

Tuttavia, la riduzione della differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita per aumentare l'efficienza dell'LDO non può andare oltre un certo limite, perché c'è una soglia al di sotto della quale il dispositivo non riesce a regolare correttamente la tensione di uscita. Questa soglia minima è nota come tensione di diseccitazione (V_DROPOUT). Per un dispositivo moderno come LDL112 di STMicroelectronics, V_DROPOUT misura 350 mV (a 3,3 V, uscita 1 A).

Il progettista dovrebbe tenere presente che V_DROPOUT è il punto in cui l'LDO non è più in grado di regolare la tensione di alimentazione. Per rispondere pienamente alla sua specifica, l'LDO richiede in genere una "tensione di margine" supplementare, che solitamente aggiunge da 250 a 500 mV a V_DROPOUT, che per alcuni LDO può arrivare a 1,5 V. Al momento di stabilire la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita, occorre tener conto di V_DROPOUT e della tensione di margine.

Per maggiori dettagli sulla progettazione in un LDO per dispositivi alimentati a batteria, vedere Utilizzo di LDO avanzati per far fronte alle sfide poste dalla progettazione dell'alimentazione per sensori wireless IoT.

Ottimizzare le prestazioni dell'LDO

Come dimostrato sopra, per un progetto con limitazioni di potenza, è buona prassi ridurre al minimo la differenza di tensione attraverso l'LDO in quanto il risparmio energetico che ne consegue può estendere in modo rilevante la durata della batteria. Ma quando la potenza disponibile è molto limitata si può fare anche altro.

Un aspetto da prendere in considerazione è l'assorbimento di potenza che si verifica quando un dispositivo indossabile è in modalità "sospensione" o basso consumo, ad esempio quando non utilizza il microcontroller, il transceiver o la funzionalità GPS. Anche se in questa modalità il consumo di corrente del prodotto finale sarà basso, l'LDO deve rimanere attivo per ridurre al minimo la latenza nel caso in cui un utente prema un pulsante operativo o attivi un touchscreen.

Quando l'indossabile è in stato di sospensione, I_OUT è basso. Di conseguenza, l'effetto di I_GND sull'efficienza è maggiore di quanto non sia durante il funzionamento normale. Poiché il carico sul dispositivo è basso, il consumo energetico effettivo non è elevato; tuttavia è continuo e alla lunga avrà un impatto notevole sulla durata della batteria. È buona prassi di progettazione scegliere un LDO che soddisfi le specifiche e che allo stesso tempo offra il minor assorbimento di corrente interna per ridurre al minimo le perdite quando I_OUT è basso.

Meglio ancora, la maggior parte degli LDO moderni offrono la possibilità di mettere il dispositivo in modalità di spegnimento portando il pin selezionato su basso. Come risultato, il dispositivo viene completamente scollegato dal carico, limitando di fatto I_OUT a solo I_GND.

Ad esempio, MCP1811A di Microchip incorpora un ingresso di spegnimento ("SHDN") che viene utilizzato per disattivare e attivare la tensione di uscita dell'LDO (Figura 2). Il dispositivo opera da 1,8 a 5,5 V in ingresso e offre una scelta tra nove uscite fisse in un intervallo da 1 a 4 V. L'LDO ha un V_DROPOUT di 400 mV, offre un'uscita massima fino a 150 mA e presenta un I_Q di 250 nA e un I_GND di 80 µA (a I_OUT = 150 mA, V_IN = 5 V, V_OUT = 4 V).

Figura 2: MCP1811A di Microchip in modalità di spegnimento. Tempo di risposta al pin SHDN che diventa alto ed erogazione della tensione regolata che varia tra 600 e 1400 µs. (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Quando l'ingresso SHDN è alto (minimo 70% di V_IN), la tensione di uscita dell'LDO è abilitata e il dispositivo alimenta la tensione regolata. Quando l'ingresso SHDN viene abbassato (massimo 20% di V_IN), l'alimentazione di tensione regolata viene disattivata e l'LDO entra in uno stato di spegnimento a bassa corrente in cui I_Q tipico è 10 nA e I_GND è circa 2 µA.

Mettere MCP1181A in modalità di spegnimento comporta un indiscutibile risparmio energetico, ma il tempo di avvio incide negativamente sulla risposta del sistema. Per assicurare che l'LDO non si attivi a seguito dei picchi di rumore del sistema sul pin SHDN e sprechi l'energia della batteria, il circuito di spegnimento presenta un ritardo di 400 μs sul fronte di salita dell'ingresso SHDN prima di attivare il regolatore. Se, dal punto di vista operativo, questa è una buona idea, lo è meno per l'impatto sulla risposta. Dopo il ritardo preimpostato, se l'ingresso SHDN rimane alto, il regolatore inizia a caricare il condensatore di carico quando l'uscita passa da 0 V al suo valore regolato finale. Pertanto, il tempo totale dall'attivazione dell'ingresso SHDN all'uscita che fornisce la tensione di regolazione è la somma del tempo di ritardo incorporato di 400 μs più il tempo di salita della tensione di uscita. Il tempo di salita dipende da V_OUT e può variare tra 200 e 1000 μs.

Analogamente, l'LDO in contenitore XDFN4 dual-mode NCP171 di ON Semiconductor può essere messo in modalità di spegnimento pilotando il pin ENA su basso (meno di 0,4 V). L'LDO ha un intervallo della tensione di uscita fisso tra 0,6 e 3,3 V da un ingresso tra 1,7 e 5,5 V e un V_DROPOUT di 110 mV. NCP171 offre però un sistema più sofisticato per estendere la durata della batteria che aiuta a migliorare la risposta quando si passa da una modalità di basso consumo all'uscita di tensione regolata richiesta per il normale funzionamento.

In modalità attiva, l'LDO è in grado di fornire fino a 80 mA, ma quando si utilizza la modalità di basso consumo la tensione di uscita regolata dell'LDO non viene disinserita; I_OUT viene invece limitato a un massimo di 5 mA. Dato che per la regolazione viene utilizzata una parte diversa dell'LDO, I_GND si riduce in modo significativo, estendendo la durata della batteria. Le modalità di basso consumo (e attiva) possono essere selezionate tramite il pin ECO di LDO (Figura 3).

Figura 3: NCP171 di ON Semiconductor può essere commutato dalla modalità attiva a quella basso consumo tramite il pin ECO. In modalità di basso consumo, I_OUT è limitato a un massimo di 5 mA, mentre I_GND si riduce in modo significativo. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Quando il pin ECO viene pilotato su basso (a terra), l'LDO passa alla modalità di basso consumo. I_Q scende da 55 µA a 50 nA. L'impatto su I_GND è altrettanto importante: in modalità attiva I_GND = 420 µA (I_OUT = 80 mA), rispetto a quella a basso consumo in cui I_GND = 2,5 µA (I_OUT = 5 mA). La dissipazione di potenza in questa modalità è solo di poco superiore a quella che si ha quando il dispositivo è in modalità di spegnimento. È possibile ridurre ulteriormente il consumo energetico in modalità di basso consumo diminuendo la tensione di uscita nominale in modalità attiva di uno degli offset programmati internamente di 50, 100, 150 e 200 mV.

Il vantaggio principale della modalità di basso consumo è il tempo di risposta alla richiesta di una normale tensione regolata. Quando portato su alto (uguale a V_OUT) il pin ECO commuta il dispositivo sulla modalità attiva e riporta l'LDO NCP171 alla tensione regolata e a un I_OUT massimo di 80 mA in meno di 100 µs (Figura 4).

Figura 4: La commutazione di NCP171 dalla modalità di basso consumo a quella attiva ripristina la tensione regolata in meno di 100 µs. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

All'avvio, NCP171 si porta per impostazione predefinita sulla modalità attiva - a prescindere dallo stato del pin ECO - per cui può raggiungere rapidamente la tensione di uscita di destinazione e stabilizzarsi. La durata tipica di questa modalità attiva forzata è di 35 ms e garantisce la ricarica rapida del condensatore di uscita e la rapida salita di I_OUT per soddisfare la domanda del carico.

Quando si opera in modalità di basso consumo ci sono degli svantaggi: il rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) - una misura della capacità dell'LDO di respingere i picchi di tensione in ingresso - è inferiore e il rumore elettrico aumenta leggermente (Figura 5).

Figura 5: Quando NCP171 è in modalità di basso consumo, in genere PSRR è più basso di quanto non sia quando è in modalità attiva. (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

L'LDO NCP171 è accompagnato dal kit di valutazione (EVK) STR-NCP171-EVK. L'EVK è progettato per essere utilizzato con l'ambiente di sviluppo integrato (IDE) Strata Developer Studio di ON Semiconductor, che viene eseguito su un PC. L'EVK è collegato all'IDE tramite un cavo USB e può quindi essere utilizzato per sperimentare le capacità dell'LDO, ad esempio, attivando/disattivando l'LDO e passando dalla modalità attiva a quella basso consumo.

L'EVK e l'IDE consentono inoltre all'ingegnere di configurare e monitorare altri parametri operativi dell'LDO, tra cui la tensione di ingresso e di uscita, la dissipazione di potenza e la temperatura del dispositivo.

Conclusione

Un LDO accuratamente selezionato semplifica la progettazione dell'alimentazione di un dispositivo indossabile, garantendo allo stesso tempo una tensione e una corrente stabili. Selezionando un LDO a bassa corrente di terra e riducendo al minimo la differenza tra le sue tensioni di ingresso e di uscita, il progettista può raggiungere un'efficienza simile a quella di un regolatore a commutazione.

La durata della batteria di un dispositivo indossabile può essere ulteriormente migliorata scegliendo uno degli LDO di ultima generazione che offrono modalità operative, selezionabili da un pin dedicato e progettati per limitare la dissipazione di potenza quando l'indossabile è in modalità di sospensione per un periodo prolungato. I fornitori di chip in genere corredano l'LDO con strumenti di valutazione che consentono al progettista di sperimentare le impostazioni migliori per il dispositivo per massimizzare la durata della batteria.