物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 在很大程度上依賴于一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)監(jiān)測(cè)溫度、濕度、壓力、振動(dòng)、加速度、空氣質(zhì)量、光強(qiáng)度等參數(shù)。這些無(wú)線傳感器采用短程射頻技術(shù)，例如低功耗藍(lán)牙 （Bluetooth LE） 或 Zigbee，其特點(diǎn)是低容量、低占空比數(shù)據(jù)交換。

　　在產(chǎn)品尺寸、成本、可靠性、穩(wěn)定性和效率方面，這些無(wú)線傳感器件的使用模型和功率分布向電源設(shè)計(jì)人員提出了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。

　　本文將說(shuō)明這些挑戰(zhàn)的來(lái)源，接著介紹最新低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器解決方案的示例，并解釋它們?yōu)楹文転闊o(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器的電源提供良好的基礎(chǔ)。本文還會(huì)提出一些指導(dǎo)原則，以確保設(shè)計(jì)人員能夠充分利用這些最新解決方案來(lái)提高設(shè)計(jì)成功的可能性。

　　開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器抑或 LDO？

　　物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器之所以對(duì)電源設(shè)計(jì)人員構(gòu)成挑戰(zhàn)，其原因如下：

• 　　通常由尺寸不大的電池供電，但仍必須有較長(zhǎng)的電池壽命
• 　　長(zhǎng)時(shí)間處于低功耗休眠模式，然后快速喚醒以發(fā)送和/或接收數(shù)據(jù)，之后又迅速返回休眠模式
• 　　通常將射頻收發(fā)器和微控制器集成于單個(gè)芯片中
• 　　測(cè)量小信號(hào)變化
• 　　大量部署，因此必須相對(duì)便宜且維護(hù)要求低

　　為了給傳感器供電，設(shè)計(jì)人員有三種選擇：開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、LDO 或兩者的組合。這不是一個(gè)簡(jiǎn)單的選擇，因?yàn)槊糠N選擇都需要權(quán)衡利弊。

　　例如，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器效率高，因而是延長(zhǎng)電池壽命的不錯(cuò)選擇。然而，在低負(fù)載時(shí)效率較低，例如當(dāng)無(wú)線傳感器處于“休眠”模式時(shí)，這是一種用于節(jié)省電力的常用模式。其次，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器較為復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期時(shí)間和潛在成本增加。此外，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的高頻工作可引起電磁干擾 （EMI），這會(huì)影響敏感的無(wú)線片上系統(tǒng) （SoC） 微控制器和收發(fā)器。最后，這種干擾也可能影響傳感器的小信號(hào)變化，從而限制測(cè)量精度。

　　相反，LDO 線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生的 EMI 非常少，使用起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單且便宜。但是，在可變的輸入電壓和負(fù)載范圍內(nèi)，LDO 的效率一般要低于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。另外，LDO 只能用于降壓配置，而不像開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器那樣可用于降壓/升壓拓?fù)洹＿@種情況可能會(huì)限制電池的可使用容量。

　　LDO 還傾向于對(duì)快速負(fù)載變化表現(xiàn)出中等程度的瞬態(tài)響應(yīng)，例如當(dāng)無(wú)線收發(fā)器從休眠狀態(tài)快速上電時(shí)。這會(huì)導(dǎo)致電壓尖峰，可能損壞傳感器電路。

　　為了充分利用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率及 LDO 的電壓軌穩(wěn)定性與強(qiáng)大的負(fù)載點(diǎn) （POL） 輸送能力，通常會(huì)將這兩種方法結(jié)合起來(lái)。但是，這種拓?fù)鋾?huì)增加復(fù)雜性、成本和尺寸，以及布局和庫(kù)存管理的難度。

　　設(shè)計(jì)人員可以不將兩者結(jié)合使用，而是單獨(dú)選擇 LDO，但要確保其運(yùn)行效率滿足設(shè)計(jì)要求。兩個(gè)特性至關(guān)重要：壓差電壓（或 VDROPOUT）和平均輸入/輸出電壓差。

　　壓差的重要性

　　對(duì)于傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器，一旦輸入/輸出電壓的壓降達(dá)到晶體管的電壓開(kāi)銷(xiāo)（約為 2 V），功能就會(huì)受到影響。這樣會(huì)限制效率。

　　典型 LDO 用 PNP 晶體管或 P 型 MOSFET 取代了 NPN 晶體管或 N 型 MOSFET，后兩種器件在傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器中用作串聯(lián)控制元件（圖 1）。這改變了電路，使其成為電流源，而不是發(fā)射極（源極）跟隨器。

　　圖 1：LDO 中的傳輸元件為 P 型 MOSFET，其可以在接近飽和狀態(tài)下工作。這與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比，是通過(guò)降低 VDROPOUT 來(lái)提高效率。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　P 型 MOSFET 可以在接近飽和狀態(tài)下工作，因而最小輸入/輸出電壓差大大降低。這就是“壓差電壓”或 VDROPOUT，此時(shí)器件可以正確調(diào)節(jié)輸出電壓。對(duì)于一款不錯(cuò)的 LDO，VDROPOUT 通常小于 200 mV。

　　新一代 LDO 的推出為設(shè)計(jì)人員提供了更低的 VDROPOUT，能夠進(jìn)一步提高效率，限制休眠模式電流，以及增加電池的可使用容量。如前所述，無(wú)線傳感器大部分時(shí)間都處于休眠模式。這是為了節(jié)省電力，但處于休眠模式的時(shí)間可能達(dá)到 99%，因此利用較低壓差來(lái)減小休眠模式電流參數(shù)，這對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命非常重要。

　　抑制噪聲和波紋

　　新式 LDO 還有更好的瞬態(tài)電壓響應(yīng)和輸入紋波濾波性能，可提供更穩(wěn)定的電源和更好的電源抑制比 （PSRR）。設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)增加輸出電容的值并降低其等效串聯(lián)電阻 （ESR） 來(lái)進(jìn)一步改善 LDO 的瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)仍要注意基底面、體積和成本。

　　PSRR 可衡量電路對(duì)電源輸入上外來(lái)信號(hào)（噪聲和紋波）的抑制程度。PSRR 沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)定義，但通常定義為電源電壓變化與其產(chǎn)生的等效（差分）輸出電壓之比（以分貝 （dB） 為單位）。

　　PSRR 與頻率相關(guān)。在 1 千赫茲 （kHz） 時(shí)，良好 LDO 的基準(zhǔn)值介于 60 dB 至 110 dB 之間（圖 2）。

　　圖 2：該圖顯示高性能 LDO 的 PSRR 頻率響應(yīng)：在 1 kHz 時(shí)，良好 LDO 的基準(zhǔn)值介于 60 dB 至 110 dB 之間。（圖片來(lái)源：Analog Devices）

　　對(duì)于電池供電的直流 （DC） 輸入（例如無(wú)線傳感器可能使用的輸入），外來(lái)信號(hào)出現(xiàn)的可能性要比使用 AC 電源時(shí)小得多，但仍可能存在。對(duì)于此類應(yīng)用，具有良好 PSRR 的 LDO 能確保電壓穩(wěn)定性，是值得投資的選擇。

　　無(wú)線傳感器電源設(shè)計(jì)考慮因素

　　雖然新一代 LDO 為無(wú)線傳感器提供了一種很有前景的供電解決方案，但務(wù)必注意，在設(shè)計(jì)過(guò)程中還必須仔細(xì)考慮這些器件的特性。例如，線性穩(wěn)壓器無(wú)法反轉(zhuǎn)電源，因此，若待供電的電路需要負(fù)電壓，則需要負(fù)輸入電壓。

　　對(duì)于電池壽命非常重要的無(wú)線傳感器應(yīng)用，第二個(gè)重要考慮因素是 LDO 只能在降壓配置中工作。這種限制決定了電池輸入電壓必須高于傳感器電子器件所需的最高電壓。

　　在無(wú)線傳感應(yīng)用中，如果典型 Bluetooth LE SoC（例如 Dialog Semiconductor 的 DA14585 或 Nordic Semiconductor 的 nRF52832）由降壓配置的電源供電，則需要 1.5 V 至 1.7 V 的最小輸入電壓。

　　這對(duì)初始電池選擇會(huì)有影響：?jiǎn)喂?jié) 1.2 V AA 鎳鎘 （NiCad） 電池不在選擇范圍內(nèi)。它還會(huì)影響總的電池可使用容量，因?yàn)楫?dāng)電壓降至無(wú)線 SoC 所需的最小值以下時(shí)，電池可能仍有一些電量。這些因素都屬于電池考慮事項(xiàng)，不過(guò)無(wú)線傳感器應(yīng)用的常見(jiàn)選擇是 Panasonic 的 3 V、225 毫安時(shí) （mAh） CR2032 鋰錳紐扣電池。該電池的特點(diǎn)是重量輕（2.9 克），放電特性出色，放電期間電壓穩(wěn)定，并具有長(zhǎng)期可靠性。

　　限制壓差電壓以提高 LDO 效率

　　雖然 LDO 的效率一般比開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器低，但隨著輸入和輸出電壓之間的差異減小，其效率會(huì)提高；效率 = VOUT/VIN。這其中的原因是，當(dāng)電壓差較小時(shí)，LDO 內(nèi)部電路的功耗會(huì)更低。由此還會(huì)帶來(lái)一個(gè)好處：與熱量相關(guān)的問(wèn)題會(huì)大大減少。在足夠小的電壓差下，LDO 能以 95% 至 99% 的效率運(yùn)行。

　　一種不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方法是選擇適當(dāng)?shù)妮斎牒洼敵鲭妷海谛逝c電池可使用容量之間進(jìn)行取舍。如果在電池仍有大量能量剩余的情況下 LDO 進(jìn)入壓差狀態(tài)，那么通過(guò)縮小輸入和輸出電壓之間的差距來(lái)最大化效率，這是毫無(wú)意義的。

　　這樣會(huì)導(dǎo)致一個(gè)問(wèn)題：LDO 何時(shí)產(chǎn)生壓差？在 VDROPOUT 時(shí)，LDO 傳輸元件（P 型 MOSFET 的 PNP 晶體管）充當(dāng)電阻器，其值與晶體管漏源導(dǎo)通電阻 （RDSON） 相等。對(duì)于給定的負(fù)載電流 （ILOAD），VDROPOUT = ILOAD × RDSON。

　　對(duì)于當(dāng)今 LDO 中使用的 PNP 晶體管或 P 型 MOSFET，RDSON 約等于 1 歐姆 （Ω）。好消息是，典型無(wú)線傳感器的工作電流不大，因此 VDROPOUT 相當(dāng)?shù)汀＠纾瑹o(wú)線傳感器應(yīng)用的典型平均電流負(fù)載為 190 微安 （μA）。因此，VDROPOUT = 190 μA x 1 Ω = 190 微伏 （μV）。在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸期間，無(wú)線 SoC 的 ILOAD 峰值可能是 7.5 毫安 （mA），這會(huì)將 VDROPOUT 提高到 7.5 毫伏 （mV）。雖然更顯著，但相對(duì)而言仍然很低。

　　然而，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注意，VDROPOUT 是 LDO 無(wú)法再調(diào)節(jié)電源電壓的臨界點(diǎn)。為了滿足全部規(guī)格要求，LDO 通常需要額外的“裕量電壓”。此裕量通常會(huì)使 VDROPOUT 增加 250 至 500 mV，但對(duì)于某些 LDO，裕量可能高達(dá) 1.5 V。供應(yīng)商最好在產(chǎn)品規(guī)格書(shū)中列出裕量電壓。

　　當(dāng)無(wú)線傳感器處于超低功耗休眠模式時(shí)，它幾乎不需要電流便能保持“激活”狀態(tài)，LDO 會(huì)繼續(xù)消耗一些電流。對(duì)于良好的 LDO，該靜態(tài)電流通常處于微安級(jí)。這聽(tīng)起來(lái)可能微不足道，但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，這種電流消耗可能對(duì)電池壽命產(chǎn)生重大影響，特別是考慮到無(wú)線傳感器大部分時(shí)間（高達(dá) 99% 的時(shí)間）都處于休眠狀態(tài)，如上所述。當(dāng)裝置使用數(shù)十個(gè)傳感器時(shí)，問(wèn)題會(huì)變得更加嚴(yán)重。電池壽命對(duì)于避免頻繁和代價(jià)不菲的更換至關(guān)重要。

　　此外，在無(wú)線傳感器應(yīng)用中，LDO 提供良好的瞬態(tài)電壓和負(fù)載響應(yīng)也很重要。在管理無(wú)線傳感器的功率預(yù)算時(shí)，關(guān)鍵因素是要確保器件在需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)能夠盡快地完成，以最大限度地減少相對(duì)較高發(fā)送/接收電流的持續(xù)時(shí)間。休眠時(shí)，無(wú)線 SoC 僅消耗數(shù)十納安電流，但在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，電流迅速上升兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　LDO 對(duì)此的瞬態(tài)響應(yīng)定義為負(fù)載電流快速變化下的輸出電壓變化（圖 3）。

　　圖 3：對(duì)輸出負(fù)載快速變化的瞬態(tài)電壓響應(yīng)是無(wú)線傳感器應(yīng)用的 LDO 關(guān)鍵性能指標(biāo)。此處所示為高性能 LDO 的響應(yīng)。（圖片來(lái)源：Maxim Integrated）

　　對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)的主要影響是 LDO 控制反饋環(huán)路的增益帶寬。如果負(fù)載瞬態(tài)快于補(bǔ)償環(huán)路的響應(yīng)，便可能發(fā)生瞬時(shí)振蕩，導(dǎo)致 EMI。在低負(fù)載無(wú)線傳感器應(yīng)用中，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是在此區(qū)域中，傳統(tǒng) LDO 穩(wěn)壓器會(huì)遭受環(huán)路增益較低的影響。一些較新的 LDO 采用低電流模式電路，在超低或無(wú)負(fù)載情況下提高環(huán)路增益，從而改善低至零輸出電流的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　LDO 應(yīng)對(duì)無(wú)線傳感器挑戰(zhàn)

　　如下是調(diào)節(jié)無(wú)線傳感器電壓的 LDO 關(guān)鍵工作參數(shù)：

　　低 RDSON（使工作電流范圍內(nèi)的 VDROPOUT 最小）

• 　　低開(kāi)銷(xiāo)電壓
• 　　低靜態(tài)電流
• 　　良好的 PSRR
• 　　良好的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)
• 　　良好的低負(fù)載環(huán)路增益

　　其他重要因素包括封裝尺寸、所需外設(shè)元件的數(shù)量和成本。

　　Texas Instruments 的 TPS7A10 LDO 是無(wú)線傳感器應(yīng)用的不錯(cuò)選擇。它采用緊湊型 1.5 mm × 1.5 mm 封裝，輸入電壓范圍為 0.75 V 至 3.3 V，輸出范圍為 0.5 V 至 3.0 V。在額定負(fù)載、電壓和溫度變化范圍內(nèi)，穩(wěn)定性在 1.5% 以內(nèi)。輸出范圍恰好匹配上述 Dialog Semiconductor 或 Nordic Semiconductor 示例的輸入電壓要求（1.5 V 至 3.6 V）。

　　在典型的無(wú)線傳感器工作條件下，TI 芯片的 VDROPOUT 僅為數(shù)十毫伏（300 mA 時(shí)最大值為 70 mV （VOUT 》 1.0 V）），LDO 電壓開(kāi)銷(xiāo)約為 250 mV。該 LDO 可拉出 300 mA 的電流，靜態(tài)電流只有幾微安。TI 還建議通過(guò) LDO 為模擬傳感器中使用的處理器提供較低的核心電壓。該 LDO 的 PSRR 為 60 dB（1 kHz 時(shí)）。TI 通過(guò)整合低電流模式電路來(lái)提高超低負(fù)載下的環(huán)路增益，從而增強(qiáng)瞬態(tài)響應(yīng)。

　　為了試驗(yàn)?zāi)康囊约皫椭O(shè)計(jì)起步，TI 還提供了 TPS7A10EVM-004 評(píng)估模塊。該模塊具有單個(gè) LDO，工程師可以在各種工作條件下輕松評(píng)估 TPS7A10 的操作和性能（圖 4）。

　　圖 4：TI 的 TPS7A10EVM-004 評(píng)估模塊使得工程師可以輕松評(píng)估 TPS7A10 LDO，同時(shí)還提供散熱和布局設(shè)計(jì)指南。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　Maxim Integrated 也為無(wú)線傳感器應(yīng)用提供了不錯(cuò)的 LDO 選擇，即 MAX8636ETA+。該器件采用 2 mm x 2 mm 封裝，輸入電壓范圍為 2.7 V 至 5.5 V。該 LDO 提供兩路輸出；一路的可配置范圍是 2.6 V 至 3 V，另一路的可配置范圍是 1.5 V 至 2.8 V。兩路輸出均可提供高達(dá) 300 mA 的電流。對(duì)于典型的無(wú)線 SoC 負(fù)載，VDROPOUT 在數(shù)十毫伏左右（100 mA 時(shí)最大值為 90 mV）。兩個(gè) LDO 均開(kāi)啟時(shí)，典型靜態(tài)電流約為 54 μA。MAX8636ETA+ 的 PSRR 為 60 dB（1 kHz 時(shí)），瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)十分穩(wěn)定。

　　如果需要負(fù)電壓軌，Analog Devices 的 LT3094 超低噪聲、超高 PSRR LDO 便是不錯(cuò)的選擇。除了 -1.8 V 至 -20 V 的負(fù)電壓輸入外，其他特性與 TI 和 Maxim Integrated 器件類似。產(chǎn)品尺寸為 3 mm × 3 mm，輸出電壓高達(dá) -19.5 V。輸出電流可達(dá) 500 mA（最大值）。

　　對(duì)于 100 mA 以下的電流，LT3094 的 VDROPOUT 為 200 mV；靜態(tài)電流為 3 μA；1 kHz 時(shí) PSRR 為 60 dB；瞬態(tài)響應(yīng)也很穩(wěn)定。該器件可與另一個(gè) LT3094 LDO 并聯(lián)工作以降低噪聲。

　　Analog Devices 為 LT3094 提供了一個(gè)演示板，即 DC2624A，它可作為有用的指南器件，幫助用戶實(shí)現(xiàn)最佳的電路布局和物料清單 （BOM），以最大限度地降低噪聲并提高 LDO 的 PSRR。

　　實(shí)際實(shí)施范例

　　對(duì)于采用 SoC 的無(wú)線傳感器（例如上述 Dialog 或 Nordic Semiconductor 器件），TI、Maxim 和 Analog Devices 的 LDO 都是不錯(cuò)的電壓調(diào)節(jié)選擇。例如在一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用中，SoC 是電池電量的主要消耗者，所選電池為 Panasonic CR2032。無(wú)線 SoC 采用 1.5 V 至 3.6 V 的電壓輸入工作。電池最初提供標(biāo)稱 3 V 電壓。

　　如果所選 LDO 的輸出選定為 2.5 V，則無(wú)線 SoC 的輸入電壓規(guī)格能得到滿足。當(dāng)電池充滿電（即提供 3 V）時(shí)，LDO 的效率為 83%；在 20?C 以及平均無(wú)線傳感器工作電流 190 μA 下工作 1000 小時(shí)之后，電池仍可提供約 2.7 V 電壓，效率提高到近 93%。

　　假設(shè)電壓輸出在 1000 小時(shí)工作時(shí)間內(nèi)大致呈線性降低，則 LDO 的平均效率（在恒定的 190 μA 負(fù)載下）為 88%。進(jìn)入壓差狀態(tài)之前，大約 74%（平均效率 88% x 84% 的可使用容量）的電池能量已用來(lái)為傳感器供電（圖 5）。

　　圖 5：在 190 μA 的典型無(wú)線傳感器平均電流負(fù)載和 20°C 的工作溫度下，CR2032 電池可維持 》2.7 V 電壓 1000 小時(shí)。（圖片來(lái)源：Panasonic）

　　總結(jié)

　　支持無(wú)線功能的物聯(lián)網(wǎng)傳感器將繼續(xù)得到大量采用，因此設(shè)計(jì)工程師考慮如何最大限度地降低功耗（包括工作時(shí)和休眠模式下）就變得十分重要。

　　雖然開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器一般來(lái)說(shuō)效率更高，但在無(wú)線傳感器件的功率分布和使用模式下，其相對(duì)于 LDO 的效率優(yōu)勢(shì)迅速減弱。此外，新一代 LDO 正在縮小效率差距，同時(shí)還帶來(lái)更高的 PSRR 和更快的瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)。

　　LDO 還具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)高效、體積小巧、噪聲低等特性，將其用作無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)傳感器的獨(dú)立電源值得認(rèn)真考慮。然而，最大限度發(fā)揮 LDO 優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵是選擇一個(gè)與無(wú)線傳感器電子器件的電壓和電流要求更緊密相配的 LDO。