利用可调低泄漏 LDO 延长可穿戴设计的电池续航时间

开关稳压器以高效率著称，是可穿戴设备电源设计的常见选择，有助于延长电池续航时间。但是，这种稳压器可能产生电噪声，设计导入复杂，占用大量空间，而且相对昂贵。

相比之下，线性稳压器可提供无纹波输出，并且简单、紧凑、便宜。然而，在宽负载范围内，其效率通常不如开关稳压器，这会影响电池续航时间。不过，通过采用低压差 (LDO) 线性稳压器（通常简称为“LDO”），并优化器件输出以确保其在最高效率区间内工作，工程师便可以使之实现接近开关稳压器的整体效率。

但是，仍有一个重要问题需要解决：为了节省电池电量，可穿戴设备许多时候处于低功耗待机模式；即便在这些模式下，LDO 也会消耗可观的内部电流。这样电流消耗虽小，却仍会缩短最终产品的电池续航时间。

新一代 LDO 解决方案解决了这个问题。使用这些器件，当可穿戴设备处于低功耗模式时，工程师可以调节输出电流和压差，以最大程度地减少内部功耗。

本文首先介绍如何选择 LDO 来为可穿戴设备供电，然后说明如何使用新一代 LDO 来使之效率最大化，同时不影响用户体验。

选择 LDO 还是开关稳压器？

在可穿戴设备电源设计过程中，稳压器的选择是一项关键决策。工程师需决定是选择开关稳压器还是 LDO。两种稳压器都有其优缺点，这让工程师难以决定在特定应用中选择哪种；请参见了解线性稳压器利弊。

可穿戴设备给设计带来了许多挑战，使得选择过程变得越发困难：

• 需要使用微型电池来帮助实现紧凑设计
• 要求长电池续航时间
• 需要稳定电源来为功率敏感电子器件供电
• 能从休眠状态迅速唤醒以增强用户体验

高效率开关稳压器可以满足电池续航时间的需求，但它有一个重大缺点，那就是稳压器的高频率操作会引起较高水平的电磁干扰 (EMI)，这可能会影响可穿戴设备的敏感微控制器和收发器。

采用开关稳压器进行电压转换，并串联一个 LDO，以最大程度地减少器件输出的电压和电流纹波，可以解决此问题。但是，这种拓扑结构会增加复杂性、成本和电源尺寸。

另一种办法是使用 LDO 来提供稳定的电压；并通过选择内部功耗较低的器件，以及最小化稳压器的输入输出电压差，从而最大程度地提高效率。

计算 LDO 效率

LDO 的效率取决于其接地电流 (I_GND) 和输入输出电压（V_IN 和 V_OUT）。效率计算公式如下：

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

I_GND 是让 LDO 内部电路工作所需的电流（其为输入电流和输出电流之差），其中一个关键部分是 LDO 的静态电流 (I_Q)。静态电流是当外部负载电流接近零时，为 LDO 内部电路供电所需的电流。它包括误差放大器、输出分压器以及过流和温度检测等电路的工作电流。

由于对效率有影响，I_GND 和 I_Q 成了 LDO 规格书上的关键规格。例如，一款适合为可穿戴设备供电的产品，例如 Microchip 的 MCP1811BT-028/OT LDO，其 I_GND = 180 微安 (µA)（I_OUT = 300 毫安 (mA) 时）且 I_Q = 250 纳安 (nA)。随着 I_OUT 升高，I_Q（并因此包括 I_GND）也会升高。STMicroelectronics 的 LDL112 就很清楚地表现出这种关系（图 1）。

图 1：此曲线图清楚显示了 STMicroelectronics LDL112 LDO 的负载电流与静态电流之间的关系。（图片来源：STMicroelectronics）

对于一款满足可穿戴设备（记录和传输数据）典型负载（例如几百毫安）的 LDO，I_GND 与 I_OUT 相比微不足道，因此决定效率的关键因素在于输入输出电压差。

例如，V_IN 为 5 V 且 V_OUT 为 3.3 V 时，LDO 的效率为 66%。但是，当电源电压降至 3.6 V 时，效率上升至 91.7%。LDO 的功耗计算方法为：P = (V_IN - V_OUT) x I_OUT。

然而，由于存在一个阈值，低于该阈值时器件将无法正确调节输出电压，因此目前只能通过减小输入输出电压差来提高 LDO 效率。这一最小阈值称为压差 (V_DROPOUT)。对于 STMicroelectronics LDL112 之类的现代器件，V_DROPOUT 测量值为 350 mV（3.3 V、1 A 输出时）。

设计人员应注意，V_DROPOUT 是 LDO 无法再调节供电电压的临界点。为了达到其最高规格，LDO 通常需要额外的“净空电压”，一般是在 V_DROPOUT 之上再增加 250 至 500 mV，但某些 LDO 可能需要增加多达 1.5 V。确定输入输出电压差时，必须考虑 V_DROPOUT 和净空电压。

有关在电池供电型设备设计中导入 LDO 的更多信息，请参见利用高级 LDO 应对物联网无线传感器电源设计挑战。

优化 LDO 性能

如上文所示，对于功耗受限的设计，尽量减少 LDO 两端的电压差是良好的工程实践，因为所节省的功率可以显著延长电池续航时间。但是，当功率预算严重受限时，还有很多事情要做。

需要考虑的其中一个方面是可穿戴设备处于低功耗或“休眠”模式时（例如，设备未使用微控制器、收发器或 GPS 功能时）消耗的电力。尽管最终产品在此模式下的电流消耗会较低，但 LDO 必须保持活动状态，以便在用户按下操作按钮或激活触摸屏时，设备能以尽量短的延迟时间唤醒。

当可穿戴设备处于休眠状态时，I_OUT 很小。因此，I_GND 对效率的影响要比正常工作期间大。由于器件的负载很小，实际功耗并不大；但是，这种消耗是连续且长时间的过程，会对电池续航时间产生重大影响。优良的设计实践是选择一个既符合规格，又能提供最低内部电流消耗的 LDO，以在 I_OUT 较低时将损耗降至最小。

不过，令人欣慰的是，大多数现代 LDO 提供了通过拉低选定引脚将器件置于关断模式的选项。其结果是器件与负载完全断开，从而有效地将 I_OUT 限制到仅为 I_GND。

例如，Microchip 的 MCP1811A 具有一个关断（“SHDN”）输入，用于关闭和开启 LDO 输出电压（图 2）。该器件的输入电压范围为 1.8 V 至 5.5 V，提供从 1 V 到 4 V 的九种固定输出选择。该 LDO 的 V_DROPOUT 为 400 mV，最大输出电流为 150 mA，I_Q 为 250 nA 且 I_GND 为 80 µA（I_OUT = 150 mA、V_IN = 5 V、V_OUT = 4 V 时）。

图 2：Microchip 的 MCP1811A 具有关断模式。对 SHDN 引脚变为高电平并提供稳定电压的响应时间为 600 µs 至 1400 µs 不等。（图片来源：Microchip Technology）

当 SHDN 输入为高电平时（至少 70% 的 V_IN），LDO 输出电压启动，器件供应稳定电压。当 SHDN 输入为低电平时（至多 20% 的 V_IN），稳压电源切断，LDO 进入低电流关断状态，此时 I_Q 典型值为 10 nA，I_GND 约为 2 µA。

能将 MCP1181A 置于关断模式的好处是显著节约功率，但缺点是启动时间会影响系统响应。为了确保 LDO 不会因 SHDN 引脚上的系统噪声尖峰而接通并浪费电池电量，关断电路有 400 微秒 (μs) 的延迟，SHDN 输入出现上升沿并经过该延迟时间后，稳压器才开启。从运行角度看，这是一个好主意，但会影响系统响应。经过预设延迟时间后，如果 SHDN 输入保持高电平，则伴随着输出从 0 V 升至最终稳压值，稳压器将开始对负载电容器充电。因此，从 SHDN 输入导通到输出提供稳定电压的总时间为内置 400 μs 延迟时间与输出电压上升时间之和。该上升时间取决于 V_OUT，变化范围为 200 µs 至 1000 μs。

同样，ON Semiconductor 的 NCP171 双模式 XDFN4 封装 LDO 可通过拉低 ENA 引脚（小于 0.4 V）而进入关断模式。该 LDO 有 0.6 V 至 3.3 V 的固定输出电压范围，输入范围为 1.7 V 至 5.5 V，V_DROPOUT 为 110 mV。不过，NCP171 提供了一种更复杂的系统来延长电池续航时间；当从低功耗模式切换到正常运行所需的稳压输出时，它能帮助改善响应。

在活动模式下，该 LDO 能够提供最高 80 mA 的电流，但当使用低功耗模式时，LDO 的调节输出电压，而是将 I_OUT 限制为最大 5 mA。由于使用 LDO 的另一部分进行调节，因此 I_GND 大大降低，电池续航时间得以延长。可通过 LDO 的 ECO 引脚选择低功耗（和活动）模式（图 3）。

图 3：ON Semiconductor 的 NCP171 可通过 ECO 引脚从活动模式切换到低功耗模式。在低功耗模式下，I_OUT 最大值为 5 mA，同时 I_GND 显著降低。（图片来源：ON Semiconductor）

将 ECO 引脚拉低（接地）时，LDO 切换到低功耗模式。I_Q 从 55 µA 降至 50 nA。对 I_GND 的影响同样显著：在活动模式下，I_GND = 420 µA (I_OUT = 80 mA)；相比之下，在低功耗模式下，I_GND = 2.5 µA (I_OUT = 5 mA)。低功耗模式下的功耗仅略高于器件处于关断模式时的功耗。按 50、100、150 或 200 毫伏等内部编程的偏移值降低活动模式标称输出电压，可以进一步降低低功耗模式下的功耗。

低功耗模式的主要优点在于对正常稳压需求的响应时间。当 ECO 引脚被拉高（等于 V_OUT）时，器件切换到活动模式，并在不到 100 µs 的时间内将 NCP171 LDO 恢复至稳压状态，最大 I_OUT 高达 80 mA（图 4）。

图 4：将 NCP171 从低功耗模式切换到活动模式时，可在不到 100 µs 的时间内恢复稳定电压。（图片来源：ON Semiconductor）

启动时，无论 ECO 引脚为何状态，NCP171 均默认进入活动模式，因此它能快速达到并稳定在目标输出电压。这种强制活动模式的持续时间通常为 35 毫秒 (ms)，可确保输出电容器快速充电以及 I_OUT 快速上升，从而满足负载需求。

在低功耗模式下运行有一些缺点：电源抑制比（PSRR，衡量 LDO 抑制输入电压尖峰的能力）较低，并且电气噪声略有增加（图 5）。

图 5：NCP171 在低功耗模式下的 PSRR 一般比在活动模式下要低。（图片来源：ON Semiconductor）

NCP171 LDO 随附 STR-NCP171-EVK 评估套件 (EVK)。EVK 可与 ON Semiconductor 在 PC 上运行的 Strata Developer Studio 集成开发环境 (IDE) 配合使用。EVK 通过 USB 电缆连接到 IDE，然后便可用来试验 LDO 的功能——例如，启用/禁用 LDO 以及在活动模式和低功耗模式之间切换。

EVK 和 IDE 还允许工程师配置和监视 LDO 的其他工作参数，包括输入和输出电压、功耗以及器件温度。

总结

精心选择 LDO 可简化可穿戴设备的电源设计，同时确保电压和电流稳定。通过选择接地电流较低的 LDO 并使其输入输出电压差最小化，设计人员可以实现接近开关稳压器的效率。

选择新一代 LDO 可进一步延长可穿戴设备的电池续航时间；此类器件的运行模式可通过专用引脚进行选择，旨在限制可穿戴设备长时间处于休眠模式时的功耗。芯片供应商通常会为 LDO 提供配套评估工具，让设计人员能够以最佳设置对器件进行试验，从而最大限度地延长电池续航时间。