Utilizzo di LDO avanzati per far fronte alle sfide poste dalla progettazione dell'alimentazione per sensori wireless IoT

L'Internet delle cose (IoT) si basa in gran parte su una rete di sensori wireless che monitorano vari parametri quali temperatura, umidità, pressione, vibrazioni, accelerazione, qualità dell'aria e intensità luminosa. Questi sensori wireless impiegano tecnologie RF a corto raggio come Bluetooth Low Energy (BLE) o Zigbee e sono caratterizzati da uno scambio di dati a basso volume nel ciclo di lavoro. (Vedere l'articolo "Confronto tra le tecnologie wireless a basso consumo".)

Il modello di utilizzo e il profilo di potenza di questi dispositivi di rilevamento wireless presentano sfide particolari per il progettista di sistemi di alimentazione in termini di dimensioni, costi, affidabilità, stabilità ed efficienza.

Qui parleremo di queste sfide e della loro origine. L'articolo passa poi a illustrare esempi delle ultime soluzioni di regolatore lineare a bassa caduta di tensione (LDO) e spiega perché possono offrire una buona base per l'alimentazione di un sensore IoT wireless. Vengono inoltre presentate delle linee guida per garantire che i progettisti possano trarre il massimo vantaggio da queste soluzioni di ultima generazione per aumentare le probabilità di successo di un progetto.

Regolatore a commutazione o LDO?

I sensori wireless IoT pongono diverse sfide ai progettisti di sistemi di alimentazione perché:

• Generalmente sono alimentati da celle di batterie di dimensioni modeste, ma devono comunque avere una lunga autonomia
• Devono poter trascorrere lunghi periodi in modalità di sospensione a basso consumo e poi "risvegliarsi" rapidamente per trasmettere e/o ricevere dati, quindi tornare velocemente alla modalità di sospensione
• In genere integrano sia un transceiver RF che un microcontroller in un singolo chip
• Misurano variazioni di segnali molto bassi
• Vengono implementati in grandi quantità, di conseguenza devono essere relativamente economici e richiedere poca manutenzione

Per alimentare un sensore, il progettista ha tre opzioni: un regolatore di tensione a commutazione, un LDO o una combinazione di entrambi. Non è una scelta semplice, perché ogni opzione richiede alcuni compromessi.

Ad esempio, i regolatori di tensione a commutazione offrono un'elevata efficienza che li rende una buona scelta per prolungare la durata della batteria. Tuttavia, perdono efficienza quando il carico è basso, ad esempio quando un sensore wireless è in modalità di sospensione, molto utilizzata per risparmiare energia. Inoltre, i regolatori a commutazione sono più complessi, il che aumenta sia il ciclo di progettazione che i costi potenziali. Non va poi trascurato il fatto che le interferenze elettromagnetiche (EMI) indotte dal funzionamento ad alta frequenza del regolatore a commutazione possono influenzare un microcontroller SoC wireless sensibile e il transceiver. Infine, quella stessa interferenza può influire sulle variazioni di segnali di bassa intensità provenienti dal sensore, con un impatto negativo sulla precisione delle misure.

Per contro, i regolatori lineari LDO generano pochissime EMI e sono relativamente semplici e poco costosi da usare. Tuttavia, a fronte di una tensione di ingresso e di un intervallo di carico variabili, gli LDO sono generalmente meno efficienti dei regolatori a commutazione. Inoltre, possono essere utilizzati solo in una configurazione step-down ("buck") piuttosto che nella topologia buck/boost del regolatore a commutazione. E ciò può limitare la capacità accessibile della batteria.

Gli LDO tendono anche a mostrare una moderata risposta ai transitori in funzione di variazioni di carico veloci, come quando un transceiver wireless si risveglia rapidamente da uno stato di sospensione. Ne derivano picchi transitori di tensione che potrebbero danneggiare i circuiti del sensore.

Per trarre vantaggio dall'efficienza del regolatore a commutazione e dalla stabilità della linea di tensione dell'LDO, oltre che dall'erogazione affidabile e robusta del punto di carico (PoL), è pratica comune combinare i due approcci. Tuttavia, tale topologia aggiunge complessità, costi e dimensioni, oltre a problemi di gestione del layout e dell'inventario.

Invece di usare questo approccio di dispositivi combinati, i progettisti possono limitarsi a selezionare solo un LDO, assicurandosi però che funzioni in modo tale che l'efficienza soddisfi i requisiti di progetto. Due sono le caratteristiche fondamentali: la "tensione di dropout" (V_DROPOUT) e la differenza media di tensione tra ingresso e uscita.

L'importanza del valore di dropout

Un regolatore lineare tradizionale interrompe la sua funzione di regolazione quando la caduta di tensione tra ingresso e uscita raggiunge la tensione di sovraccarico del transistor, che è di circa 2 V. Tutto ciò ne limita l'efficienza.

Il tipico LDO sostituisce il transistor NPN o MOSFET di tipo N utilizzato come elemento di controllo in serie in un regolatore lineare tradizionale con un transistor PNP o MOSFET di tipo P (Figura 1). Ciò modifica il circuito che diventa una sorgente di corrente piuttosto che un inseguitore di emettitore (inseguitore di source).

Figura 1: In un LDO, l'elemento pass è un MOSFET di tipo P che può operare vicino alla saturazione. Ciò migliora l'efficienza abbassando V_DROPOUT rispetto ai regolatori lineari convenzionali. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Il MOSFET di tipo P può operare vicino alla saturazione, riducendo notevolmente la differenza minima di tensione tra ingresso e uscita. Questa è la "tensione di dropout" o V_DROPOUT alla quale il dispositivo può regolare correttamente la tensione di uscita. Per un buon LDO, V_DROPOUT è in genere inferiore a 200 mV.

L'introduzione di una nuova generazione di LDO offre al progettista un V_DROPOUT ancora più basso, per migliorare ulteriormente l'efficienza, limitare la corrente in modalità di sospensione e aumentare la capacità accessibile della batteria. Come accennato in precedenza, i sensori wireless trascorrono gran parte del loro tempo in modalità di sospensione. Questa modalità serve a risparmiare energia, ma il tempo trascorso in sospensione può raggiungere il 99%, quindi per una lunga durata della batteria è molto importante un dropout più basso in grado di ridurre il parametro corrente della modalità di sospensione.

Soppressione del rumore e del ripple

I nuovi LDO offrono anche una migliore risposta alla tensione transitoria e un migliore filtraggio del ripple di ingresso per garantire un'alimentazione più stabile, oltre a un superiore rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR). Il progettista può migliorare ulteriormente la risposta ai transitori dell'LDO aumentando il valore e diminuendo la resistenza equivalente in serie (ESR) del condensatore di uscita, pur restando attento al suo ingombro, al volume e al costo.

Il PSRR (rapporto di reiezione dell'alimentazione) è la capacità di un circuito di reiezione dei disturbi (rumore e ripple) provenienti dalla linea di alimentazione. Non esiste una definizione standard, ma in linea di massima corrisponde al rapporto tra la variazione della tensione di alimentazione e la tensione di uscita equivalente (differenziale) prodotta (in decibel (dB)).

Il PSRR dipende dalla frequenza. Un valore di riferimento per un buon LDO è tra 60 e 110 dB a 1 kHz (Figura 2).

Figura 2: Il grafico mostra la risposta in frequenza del PSRR per un LDO ad alte prestazioni: un valore di riferimento per un buon LDO è tra 60 e 110 dB a 1 kHz. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices)

Per un ingresso in corrente continua (c.c.) alimentato a batteria, come quello che potrebbe essere utilizzato da un sensore wireless, i segnali estranei sono molto meno probabili che con un alimentatore in c.a. ma possono comunque verificarsi. Un LDO con un buon PSRR è un investimento utile per un'applicazione di questo tipo perché garantisce la stabilità della tensione.

Considerazioni sulla progettazione dell'alimentazione del sensore wireless

La nuova generazione di LDO offre una soluzione promettente per l'alimentazione di sensori wireless, ma è importante capire che i dispositivi hanno anche altre caratteristiche da non sottovalutare durante il processo di progettazione. Ad esempio, un regolatore lineare non può invertire un'alimentazione, quindi se il circuito da alimentare richiede una tensione negativa è necessaria una tensione di ingresso negativa.

Una seconda considerazione non meno importante in un'applicazione con sensori wireless in cui la durata della batteria è fondamentale, è il fatto che gli LDO funzionano solo in configurazione buck. Questa limitazione impone che la tensione di ingresso della batteria sia superiore alla tensione massima richiesta dall'elettronica del sensore.

Un tipico SoC BLE utilizzato per il rilevamento wireless, ad esempio DA14585 di Dialog Semiconductor o nRF52832 di Nordic Semiconductor, richiede una tensione di ingresso minima di 1,5-1,7 V se alimentato da un alimentatore configurato come buck.

Questo requisito si riflette sulla scelta iniziale della batteria: una singola cella AA al nichel-cadmio (NiCad) che eroga 1,2 V non sarebbe un'opzione praticabile. Influisce anche sulla capacità totale accessibile della batteria perché questa potrebbe avere ancora della carica anche quando la tensione è scesa al di sotto del minimo richiesto dal SoC wireless. Per la selezione di una batteria entrano in gioco tutte queste considerazioni, sebbene un'opzione diffusa per le applicazioni di sensori wireless sia la cella a bottone al litio-manganese CR2032 di Panasonic da 3 V, 225 mAh. Questa cella è caratterizzata da un peso ridotto (2,9 grammi), scarica elevata, tensione stabile durante la scarica e affidabilità a lungo termine.

Limitare la tensione di dropout per migliorare l'efficienza degli LDO

Se in genere un LDO è meno efficiente di un regolatore a commutazione, la sua efficienza aumenta quando la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita diminuisce; efficienza = V_OUT/V_IN. La ragione è che, con una differenza di tensione più piccola, nei circuiti interni dell'LDO viene dissipata meno energia. Grazie a ciò si ottiene l'ulteriore vantaggio di ridurre al minimo i problemi legati allo sviluppo di calore. Con un differenziale di tensione sufficientemente piccolo, un LDO può funzionare con un'efficienza dal 95% al 99%.

Un buon approccio progettuale consiste nell'individuare un compromesso tra l'efficienza e la capacità accessibile della batteria selezionando tensioni di ingresso e uscita appropriate. Non ha molto senso massimizzare l'efficienza riducendo la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita se l'LDO interrompe la sua funzione quando la batteria ha ancora una quantità significativa di energia residua.

Tutto questo ci porta alla domanda: a che punto l'LDO interromperà la sua funzione? A V_DROPOUT, l'elemento pass dell'LDO (il transistor PNP di un MOSFET di tipo P) funge da resistore di valore pari alla resistenza drain-source nello stato On (RDSon). Per una corrente di carico nota (I_LOAD), V_DROPOUT = I_LOAD × RDS_ON.

Per il transistor PNP o per il MOSFET di tipo P utilizzato negli attuali LDO, RDS_ON è approssimativamente uguale a 1 Ω. La buona notizia è che per un tipico sensore wireless le correnti operative sono modeste e quindi V_DROPOUT è a sua volta piuttosto basso. Ad esempio, un carico di corrente medio tipico per un'applicazione di sensore wireless è 190 μA. Di conseguenza, V_DROPOUT = 190 µA x 1 Ω = 190 µV. Durante la trasmissione di dati wireless, I_LOAD per il SoC wireless potrebbe, ad esempio, avere un picco a 7,5 mA che aumenterebbe V_DROPOUT a 7,5 mV. Un valore più rilevante ma sempre relativamente basso.

Tuttavia, 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 soddisfare completamente le sue specifiche, l'LDO richiede in genere una "tensione di margine" aggiuntiva. Solitamente questo margine aggiunge da 250 a 500 mV a V_DROPOUT, ma può arrivare a 1,5 V per alcuni LDO. I fornitori dovrebbero sempre indicare la tensione di margine nelle loro schede dati.

Quando il sensore wireless si trova in modalità di sospensione a bassissimo consumo, ovvero per rimanere "in vita" praticamente non richiede corrente, l'LDO continua a prelevare corrente. Per un buon LDO, questa corrente di quiescenza è tipicamente dell'ordine dei microampere. Potrebbe sembrare un consumo insignificante, ma sul lungo periodo questo assorbimento di corrente può avere un notevole impatto sulla durata della batteria, tenendo conto in particolare che, come accennato in precedenza, un sensore wireless trascorre la maggior parte della sua vita in stato "dormiente", anche fino al 99% del tempo. Il problema si moltiplica quando un'installazione prevede decine di sensori. La durata della batteria diventa un fattore critico se si vogliono evitare sostituzioni frequenti e costose.

È anche importante che un LDO utilizzato in un'applicazione di sensori wireless offra una buona risposta alla tensione transitoria e al carico. Un fattore chiave nella gestione del bilancio energetico di un sensore wireless è garantire che, quando il dispositivo deve inviare o ricevere dati, lo faccia il più rapidamente possibile per ridurre al minimo la durata delle correnti relativamente alte necessarie alla trasmissione/ricezione. Quando è in sospensione, il SoC wireless consuma solo qualche decina di nanoampere, ma durante la trasmissione o la ricezione la corrente aumenta rapidamente di due ordini di grandezza.

La risposta ai transitori di un LDO a questa situazione viene definita come la variazione della tensione di uscita per una variazione rapida della corrente di carico (Figura 3).

Figura 3: La risposta alla tensione transitoria per un rapido cambiamento nel carico in uscita è un fattore critico per le prestazioni dell'LDO in applicazioni di sensori wireless. Qui viene illustrata la risposta di un LDO ad alte prestazioni. (Immagine per gentile concessione di Maxim Integrated)

La maggiore influenza sulla risposta ai transitori è data dalla larghezza di banda dell'anello di retroazione di controllo dell'LDO. Se il transitorio del carico è più veloce della risposta dell'anello di compensazione, può verificarsi un'oscillazione che determina le EMI. Un problema chiave in un'applicazione di sensori wireless a basso carico è che in questa situazione i regolatori LDO tradizionali soffrono a causa di un minore guadagno dell'anello. Alcuni LDO più recenti utilizzano un circuito in modalità di bassa corrente per aumentare il guadagno dell'anello in condizioni di carico molto basso o assente, con conseguente miglioramento della risposta ai transitori fino a una corrente di uscita pari a zero.

LDO che vincono la sfida dei sensori wireless

I parametri operativi chiave per un LDO preposto alla tensione per un sensore wireless sono:

• Bassa RDSon (per minimizzare V_DROPOUT sull'intervallo di corrente operativa)
• Bassa tensione di sovraccarico
• Bassa corrente di quiescenza
• Buon PSRR
• Buona risposta al carico transitorio
• Buon guadagno dell'anello a basso carico

Altri fattori importanti sono le dimensioni del contenitore, il numero di componenti periferici necessari e il costo.

L'LDO TPS7A10 di Texas Instruments è una buona opzione per le applicazioni di sensori wireless. Viene fornito in un contenitore compatto di 1,5 x 1,5 mm, ha un intervallo della tensione di ingresso da 0,75 a 3,3 V e un intervallo di uscita da 0,5 a 3,0 V. È stabile entro l'1,5% alle variazioni di carico, linea e temperatura specificate. L'intervallo di uscita corrisponde perfettamente ai requisiti di tensione in ingresso degli esempi descritti sopra di Dialog Semiconductor o Nordic Semiconductor (da 1,5 a 3,6 V).

In condizioni operative tipiche del sensore wireless, V_DROPOUT per il chip di TI è solo di qualche decina di millivolt (70 mV max) a 300 mA (V_OUT >1,0 V) e il sovraccarico di tensione dell'LDO è di circa 250 mV. L'LDO può fornire 300 mA e la corrente di quiescenza è di pochi microampere. TI suggerisce inoltre di utilizzare l'LDO per alimentare le tensioni più basse dei core dei processori utilizzati nei sensori analogici. Il PSRR dell'LDO è 60 dB (a 1 kHz). TI ha migliorato la risposta ai transitori incorporando il circuito in modalità a bassa corrente che aumenta il guadagno dell'anello in presenza di carichi molto bassi.

Ai fini della sperimentazione e per agevolare l'avvio dei progetti, TI fornisce anche il modulo di valutazione TPS7A10EVM-004. È dotato di un singolo LDO e semplifica agli ingegneri la valutazione del funzionamento e delle prestazioni di TPS7A10 in un ventaglio di condizioni operative (Figura 4).

Figura 4: Il modulo di valutazione TPS7A10EVM-004 di TI consente agli ingegneri di valutare facilmente l'LDO TPS7A10 fornendo anche linee guida per la gestione termica e la progettazione del layout. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Anche Maxim Integrated propone una buona scelta di LDO per le applicazioni di sensori wireless, ad esempio MAX8636ETA+. Il dispositivo è disponibile in un contenitore da 2 x 2 mm e funziona con una tensione di ingresso compresa tra 2,7 e 5,5 V. L'LDO dispone di due uscite: una è configurabile da 2,6 a 3 V e l'altra da 1,5 a 2,8 V. Entrambe le uscite possono fornire fino a 300 mA. Il V_DROPOUT è dell'ordine di qualche decina di millivolt (90 mV max) a 100 mA, con un tipico carico SoC wireless. La corrente di quiescenza tipica è di circa 54 μA con entrambi gli LDO attivi. Il PSRR di MAX8636ETA+ è 60 dB (a 1 kHz) e ha una buona risposta al carico transitorio.

Se è necessaria una linea di tensione negativa, una buona opzione è l'LDO LT3094 di Analog Devices ad altissimo PSRR e bassissimo rumore. A parte l'ingresso di tensione negativo compreso tra -1,8 e -20 V, le altre caratteristiche sono simili ai dispositivi di TI e Maxim Integrated. Misura 3 x 3 mm e l'uscita raggiunge -19,5 V. La corrente di uscita può arrivare a 500 mA (max).

Il V_DROPOUT di LT3094 è 200 mV per corrente inferiore a 100 mA, la sua corrente di quiescenza è 3 μA, il PSRR è di 60 dB a 1 kHz e anche la risposta ai transitori è buona. Il dispositivo può essere utilizzato in parallelo con un altro LDO LT3094 per ridurre il rumore.

Analog Devices fornisce una scheda dimostrativa per LT3094, DC2624A, una guida utile per ottenere layout dei circuiti e distinta base migliori e per ridurre al minimo il rumore e massimizzare il PSRR dell'LDO.

Esempio di implementazione pratica

Gli LDO di TI, Maxim e Analog Devices sono tutte buone opzioni per la regolazione della tensione di un sensore wireless che impiega un SoC come i dispositivi Dialog o Nordic Semiconductor descritti sopra. Prendiamo come esempio una semplice applicazione in cui il SoC è il responsabile principale del consumo di energia della batteria per la quale si è optato per la Panasonic CR2032. Il SoC wireless funziona con una tensione di ingresso da 1,5 a 3,6 V. La batteria inizialmente fornisce una tensione nominale di 3 V.

Se l'uscita dell'LDO è selezionata su 2,5 V, la specifica della tensione di ingresso per il SoC wireless è soddisfatta. Quando la batteria è completamente carica (cioè quando eroga 3 V) l'efficienza dell'LDO è dell'83%. Dopo 1000 ore di funzionamento a 20 °C e una corrente di funzionamento del sensore wireless media di 190 μA, la batteria fornisce ancora circa 2,7 V e l'efficienza è migliorata fino a circa il 93%.

Supponendo una riduzione approssimativamente lineare della tensione durante le 1000 ore di funzionamento, l'efficienza media dell'LDO (sotto un carico costante di 190 μA) è dell'88%. Prima del punto di dropout, circa il 74% (88% di efficienza media x 84% di capacità accessibile) dell'energia della batteria è stato utilizzato per alimentare utilmente il sensore (Figura 5).

Figura 5: Una batteria CR2032 con un tipico carico di corrente medio del sensore wireless di 190 μA e funzionante a 20 °C può mantenere >2,7 V per 1000 ore. (Immagine per gentile concessione di Panasonic)

Conclusione

I sensori IoT con funzionalità wireless continueranno a essere impiegati in grandi quantità. Quindi è importante che i progettisti si preoccupino di trovare il modo migliore per ridurre al minimo il consumo energetico, sia durante il funzionamento che in modalità di sospensione.

Anche se un regolatore a commutazione è in genere più efficiente, sotto il profilo della potenza e della modalità di utilizzo di un dispositivo di rilevamento wireless il suo vantaggio in termini di efficienza rispetto a un LDO diminuisce rapidamente. Inoltre, una nuova generazione di LDO sta riducendo il divario di efficienza, apportando anche un miglioramento del PSRR e una risposta più veloce ai carichi transitori.

Tenuto conto della semplicità di progettazione, dell'economicità, delle dimensioni compatte e del basso livello di rumore degli LDO, il loro utilizzo come alimentazione autonoma per i sensori IoT wireless merita di essere preso in seria considerazione. Tuttavia, la chiave di volta per massimizzare i vantaggi dell'LDO è selezionarne uno che corrisponda quanto più possibile ai requisiti di tensione e corrente dell'elettronica del sensore wireless.