LDO 在物联网中能提高电源效率的两种方式

1.前言

随着物联网 (IoT) 席卷我们的家庭和工作，我们发现越来越多的电器和系统集成了电子设备，让我们几乎可以从世界任何地方访问它们。但是，由于我们的家庭和办公室中连接了如此多的设备，因此我们要消耗大量的待机功率。我们可以做些什么来使我们的恒温器、门、铃铛、安全系统和电视更高效，同时保持相同的连接完好无损？如果我告诉大家一个简单的线性稳压器 (LDO) 可能是答案，大家会相信我吗？以下是关键原因。

2.使用 LDO 提高电源效率

我们生活和工作空间中的许多设计都严重依赖传感器来提供准确的功能。这些传感器中的许多需要解析度数，检测少量的化学物质或气体，并测量极少量的液体。由于效率对传感至关重要，因此我们需要集成开关模式电源 (SMPS) 以实现高于 80% 的效率。不幸的是，通过集成开关稳压器，我们会产生外部因素，例如对传感器功能产生负面影响的电压摆幅。

通常，我们在 SMPS 的输出端添加一个 LDO 来解决这个问题。LDO 降低了我们电源设计的整体效率；然而，它使我们能够保持 70% 的效率，与全线性解决方案相比，这是整体性能的改进，后者将在 10-20% 的范围内。LDO 还具有电源抑制 (PSR) 功能。PSR 有助于解决功率波动，因此波动不再影响传感器，因为 LDO 充当滤波器。我们以TPS717 LDO 为例。

图 1：TPS717电源抑制

由于大多数传感器集线器和子系统需要低电流，我们可以使用 10mA 负载的情况来分析我们的信号。如果我们假设我们是在2.1MHz的工作中，TPS717  具有过量的PSR 40dB的，这意味着LDO只反映小于100倍比SMPS的纹波。

3.LDO 系统可以消耗非常低的功率

考虑到效率问题，我们现在专注于系统的低功耗方面并降低整体待机功耗。为了计算 LDO 的功耗，我们必须查看输入和输出之间的压降以及 LDO 提供的电流：

尽管我们的 LDO 对整体功耗的影响并不明显，但许多 LDO，例如LP2951 ，具有关断功能，可以关闭系统的电流供应。 

图 2：LP2951 的功能图

在关断模式下，系统中的功率损耗仅限于关断电流：

以LP2951 为例，并以其关断电流为例，我们可以将功率损耗降低 1,000 倍。

4. 限制LDO电流

LDO 中的电流限制是通过为所提供的电流建立一个上限来定义的。与恒流源不同，LDO 按需提供电流，但也可以控制调节的总功率。电流限制是通过控制 LDO 内部输出级晶体管的内部电路实现的。请参见图 1。这是 LDO 的经典限流电路，通常被称为“砖墙”限流电路，因为一旦达到限制，它就会突然停止电流。在该内部电路中，LDO 测量用于反馈的输出电压，但也测量输出电流相对于内部基准 (I REF )的缩放镜像。

图 1：限流内部 LDO 结构

在砖墙电流限制中，上限是定义的，LDO 逐渐提供电流，直到达到限制电流限制。一旦超过电流限制，输出电压就不会被调节，而是由负载电路的电阻 (R LOAD ) 和输出电流限制 (I LIMIT )（公式 1

         (1)

只要热阻 (θ JA ) 允许在结温处于可接受范围内 (T J < 125°C) 的健康功耗，传输晶体管将继续此操作并耗散功率。一旦 V OUT过低并达到热限制，热关断将关闭器件以保护其免受永久性损坏。设备冷却后，它会重新打开并可以进行调节。这在可能出现短路的情况下尤为重要，因为 LDO 将继续将 V OUT调节至 0V。

折返电流限制与标准上限非常相似。但折返电流的主要目标是限制总功耗，通过线性降低输出电流限制而使输出晶体管保持在其安全功耗限制内，同时 V OUT降低且 V IN保持稳定。

每当可能出现短路或过载等有害情况时，重要的是要防止这种影响传输到其他敏感电子设备。受保护的 LDO 可以提供广泛的功能，可以使任何设计更加稳健。

5.结论

这是否意味着我们可以依靠 LDO 使我们的电源设计更加高效？不是一个人。系统的效率确实受整体设计的影响。但是通过添加正确的 LDO，我们可以确保为我们的设计所依赖的许多传感器提供干净的电源轨，并且我们可以确保传感器仅在需要时消耗功率。