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Mithilfe einstellbarer LDO-Regler mit geringem Leckstrom kann die Lebensdauer von Batterien in Wearables verlängert werden

Von Steven Keeping

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Schaltspannungsregler gelten als äußerst effizient, weshalb sie gerne bei der Entwicklung der Stromversorgung von Wearables eingesetzt werden, um so die Lebensdauer der Batterien zu verlängern. Allerdings können Schaltregler ein starkes elektrisches Rauschen aufweisen und ihr Design ist anspruchsvoll; überdies brauchen Schaltregler viel Platz und sind relativ teuer.

Im Vergleich dazu zeichnen sich Linearregler durch einen wellenfreien Ausgang aus und sind einfach, kompakt und günstig. Bei einem großen Lastbereich jedoch sind sie üblicherweise weniger effizient als Schaltregler, was sich negativ auf die Batterielebensdauer auswirkt. Wenn aber ein linearer Regler mit niedrigem Spannungseinbruch (häufig einfach als „LDO“ bezeichnet) verwendet und der Ausgang der Komponente so optimiert wird, dass sie in ihrem effizientesten Bereich arbeitet, dann können Entwickler nahezu die Gesamteffizienz eines Schaltreglers erreichen.

Ein zentrales Problem jedoch bleibt: Wearables sind so konstruiert, dass sie sich lange Zeit in stromsparenden Standby-Modi befinden, um so die Batterie zu schonen. Doch auch in diesen Modi verbraucht ein LDO-Regler spürbar intern Strom. Auch wenn diese Stromaufnahme nur geringfügig ist, verkürzt sie doch die Lebensdauer der Batterien des jeweiligen Endprodukts.

Eine neue Generation von LDO-Lösungen nimmt sich nun dieses Problems an. Mit diesen Komponenten können Entwickler den Ausgangsstrom und die Dropout-Spannung so einstellen, dass die interne Verlustleistung minimiert wird, wenn das Wearable sich in einem Stromsparmodus befindet.

In diesem Artikel soll gezeigt werden, wie ein LDO-Regler für die Stromversorgung eines Wearables ausgewählt werden kann. Anschließend wird erklärt, wie mithilfe einer neuen Generation von LDOs die Effizienz gesteigert werden kann, ohne dabei das Nutzererlebnis zu beeinträchtigen.

LDO- oder Schaltregler?

Eine zentrale Entscheidung bei der Entwicklung der Stromversorgung für ein Wearable ist die Wahl des Reglers. Dabei muss sich der Entwickler zwischen einem Schaltregler und einem LDO-Regler entscheiden. Beide Regler haben Vor- und Nachteile, was die jeweilige Entscheidung bei einer konkreten Anwendung knifflig macht; siehe hierzu auch Die Vor- und Nachteile von Linearreglern.

Wearables bringen eine Reihe von Herausforderungen bei der Entwicklung mit sich, welche den Auswahlprozess noch schwerer machen:

  • Für ein kompaktes Design sollten kleine Batterien verwendet werden
  • Die Batterielebensdauer soll lang sein
  • Es wird eine stabile Stromversorgung für Elektronik mit hohen Anforderungen hinsichtlich des Stromverbrauchs benötigt
  • Für ein besseres Nutzererlebnis sollte ein schnelles Aufwachen aus dem Schlafmodus gegeben sein

Mit einem effizienten Schaltregler kann die geforderte lange Batterielebensdauer gewährleistet werden, aber ein wesentlicher Nachteil von Schaltreglern ist das relativ hohe Ausmaß an elektromagnetischer Interferenz (EMI), das durch den Hochfrequenzbetrieb des Reglers hervorgerufen wird und den empfindlichen Mikrocontroller und Transceiver des Wearables beeinträchtigen kann.

Gelöst werden kann dieses Problem durch die Verwendung eines Schaltreglers für die Spannungsumwandlung und durch das Hinzufügen eines LDO-Reglers in Reihe, um so die Spannungs- und Stromwelligkeit am Ausgang der Komponente zu verringern. Allerdings bedeutet eine solche Topologie auch höhere Komplexität und höhere Kosten sowie eine platzmäßig größere Stromversorgung.

Eine Alternative ist die Verwendung eines LDO-Reglers für eine stabile Spannungsversorgung und die Maximierung der Effizienz durch die Wahl einer Komponente mit niedriger interner Verlustleistung sowie durch die Verringerung der Differenz zwischen der Eingangs- und Ausgangsspannung des Reglers.

Berechnung der LDO-Effizienz

Die Effizienz eines LDO-Reglers bestimmt sich aus dessen Grundstrom (IGND) und dessen Ein- und Ausgangsspannung (VIN und VOUT). Die Formel zur Berechnung der Effizienz lautet wie folgt:

Effizienz = IOUT/(IOUT + IGND) × VOUT/VIN × 100%

IGND ist der Strom, der zum Betrieb der internen Schaltkreise des LDO-Reglers benötigt wird (dieser ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsstrom). Zentraler Bestandteil hiervon ist der Ruhestrom des LDO-Reglers (IQ), bei dem es sich um den Strom handelt, der für den Betrieb der internen Schaltkreise des LDO-Reglers benötigt wird, wenn der externe Laststrom nahe null ist. Dazu gehören Dinge wie der Betriebsstrom für den Fehlerverstärker, den Ausgangsspannungsteiler und die Überstrom- und Temperaturmesskreise.

Angesichts ihrer Bedeutung für die Effizienz sind IGND und IQ zentrale Angaben auf dem Datenblatt eines LDO-Reglers. Ein für die Stromversorgung eines Wearables geeignetes Produkt wie der LDO-Regler MCP1811BT-028/OT von Microchip zum Beispiel hat folgende Kenndaten: IGND = 180 Mikroampere (µA) (bei IOUT = 300 Milliampere (mA)) und IQ = 250 Nanoampere (nA). IQ (und damit IGND) steigt, wenn IOUT zunimmt. Diese Beziehung zeigt sich deutlich am LDL112 von STMicroelectronics (Abbildung 1).

Diagramm für den Laststrom und Ruhestrom des LDO-Reglers LDL112 von STMicroelectronicsAbbildung 1: Dieses Diagramm zeigt deutlich die Beziehung zwischen Laststrom und Ruhestrom beim LDO-Regler LDL112 von STMicroelectronics. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Bei einem LDO-Regler mit den typischen Lasten eines Wearables, das Daten aufzeichnet und überträgt (beispielsweise mehrere hundert Milliampere), ist IGND gegenüber IOUT relativ unbedeutend, sodass der für die Effizienz entscheidende Faktor der Spannungsunterschied zwischen Eingang und Ausgang ist.

Beispielsweise beträgt die Effizienz eines LDO-Reglers bei VIN von 5 Volt und VOUT von 3,3 Volt 66%. Dieser Wert aber steigt auf 91,7%, wenn die Stromversorgung auf 3,6 Volt reduziert wird. Der Stromverbrauch des LDO-Reglers kann wie folgt berechnet werden: P = (VIN - VOUT) x IOUT.

Allerdings ist die Minimierung der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zur Steigerung der LDO-Effizienz nur in einem bestimmten Umfang möglich, da es eine Schwelle gibt, unterhalb derer die Komponente die Ausgangsspannung nicht mehr korrekt regeln kann. Diese Schwelle wird als Dropout-Spannung (VDROPOUT) bezeichnet. Bei einer modernen Komponente wie dem LDL112 von STMicroelectronics beträgt VDROPOUT 350 Millivolt (bei 3,3 Volt, Ausgang 1 A).

Bei der Entwicklung sollte stets beachtet werden, dass VDROPOUT der Punkt ist, ab dem der LDO-Regler die Versorgungsspannung nicht mehr regeln kann. Um seiner Spezifikation vollständig gerecht zu werden, benötigt der LDO-Regler üblicherweise eine Reservespannung, mit der typischerweise 250 bis 500 mV zu VDROPOUT hinzukommen; sie kann aber bei manchen LDO-Reglern auch bis zu 1,5 V betragen. VDROPOUT und die Reservespannung müssen berücksichtigt werden, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bestimmt wird.

Weitere Informationen zum Design von LDO-Reglern bei batteriebetriebenen Geräten finden sich hier: Hochentwickelte LDO-Regler erfüllen die Herausforderungen bei der Entwicklung von Stromversorgungen für drahtlose Sensoren im IoT.

Optimierung der LDO-Leistung

Wie oben gezeigt wurde, hat es sich in der Entwicklerpraxis bei Designs mit Beschränkungen hinsichtlich des Stromverbrauchs bewährt, die Spannungsdifferenz beim LDO-Regler zu verringern, da die daraus resultierenden Stromeinsparungen die Batterielebensdauer wesentlich verlängern können. Aber es kann noch mehr getan werden, wenn die Stromversorgung hohen Beschränkungen unterworfen ist.

Ein zu berücksichtigender Punkt ist der Leistungsverlust, wenn ein Wearable sich im Stromspar- oder Schlafmodus befindet und das Gerät dabei nicht seinen Mikrocontroller, Transceiver oder die GPS-Funktion nutzt. Auch wenn der Stromverbrauch des Endprodukts in diesem Modus gering ist, muss der LDO-Regler doch aktiv bleiben, um die Latenz minimieren zu können, sollte ein Nutzer eine Bedientaste drücken oder den Touchscreen aktivieren.

Wenn sich das Wearable im Schlafmodus befindet, ist IOUT klein; dementsprechend hat IGND beim normalen Betrieb eine größere Auswirkung auf die Effizienz. Da die Last am Gerät gering ist, ist auch der tatsächliche Stromverbrauch nicht hoch; gleichwohl wird kontinuierlich und über einen längeren Zeitraum Strom verbraucht, was sich deutlich auf die Batterielebensdauer auswirkt. Deshalb hat es sich in der Entwicklungspraxis bewährt, einen LDO-Regler auszuwählen, der die Spezifikation erfüllt und gleichzeitig nur einen minimalen internen Stromverlust aufweist, wenn IOUT niedrig ist.

Noch besser: Die meisten modernen LDO-Regler bieten die Option, das Gerät durch das Ziehen eines ausgewählten Pins auf Low in den Abschaltmodus zu versetzen. Damit wird das Gerät vollständig von der Last getrennt, wodurch IOUT praktisch auf IGND beschränkt wird.

Der MCP1811A von Microchip zum Beispiel verfügt über einen Abschalteingang („SHDN“), mit dem die LDO-Ausgangsspannung aus- und angeschaltet werden kann (Abbildung 2). Die Komponente arbeitet mit einem Volt-Eingang von 1,8 bis 5,5 Volt und bietet eine Auswahl von neun festen Ausgängen über einen Bereich von 1 bis 4 Volt. Der LDO-Regler hat einen VDROPOUT von 400 mV, bietet einen maximalen Ausgangsstrom von bis zu 150 mA und besitzt einen IQ von 250 nA und einen IGND von 80 µA (bei IOUT = 150 mA, VIN = 5 Volt, VOUT = 4 Volt).

Übersicht über den MCP1811A von Microchip, der über einen Abschaltmodus verfügtAbbildung 2: Der MCP1811A von Microchip verfügt über einen Abschaltmodus. Die Reaktionszeit auf einen auf High gesetzten SHDN-Pin und die Bereitstellung der geregelten Spannung schwankt zwischen 600 und 1400 µs. (Bildquelle: Microchip Technology)

Wenn der SHDN-Eingang auf High gesetzt ist (mindestens 70% von VIN), wird die Ausgangsspannung des LDO-Reglers aktiviert und die Komponente liefert die geregelte Spannung. Wenn der SHDN-Eingang auf Low gesetzt wird (maximal 20% von VIN), wird die geregelte Spannungsversorgung ausgeschaltet und der LDO-Regler geht in einen Abschaltmodus mit wenig Strom, bei dem der typische IQ 10 nA und IGND etwa 2 µA beträgt.

Der Vorteil der Option, den MCP1181A in den Abschaltmodus versetzen zu können, besteht in der klaren Stromeinsparung; der Nachteil allerdings ist die Auswirkung, welche die Startzeit auf die Reaktion des Systems hat. Um zu gewährleisten, dass der LDO-Regler nicht aufgrund von Rauschspitzen des Systems anspringt und Batterieleistung verschwendet, weist der Abschaltkreis über eine Verzögerung von 400 Mikrosekunden (μs) bei der ansteigenden Flanke des SHDN-Eingangs auf, ehe der Regler eingeschaltet wird. Aus Betriebssicht ist dies eine gute Idee, die sich allerdings auch auf die Reaktion auswirkt. Nach der voreingestellten Verzögerung beginnt der Regler, wenn der SHDN-Eingang weiter auf High gesetzt bleibt, mit dem Laden des Lastkondensators, während der Ausgang von 0 Volt auf seinen endgültigen geregelten Wert steigt. Dementsprechend ist die Gesamtzeit – vom Einschalten des SHDN-Eingangs bis zum Bereitstellen der Regelspannung durch den Ausgang – die Summe der eingebauten Verzögerung von 400 μs plus der Anstiegszeit der Ausgangsspannung. Die Anstiegszeit hängt dabei von VOUT ab und kann 200 bis 1000 μs betragen.

Auch der Dual-Mode-LDO-Regler im XDFN4-Gehäuse NCP171 von ON Semiconductor kann in den Abschaltmodus gebracht werden, indem sein ENA-Pin auf Low gesetzt wird (weniger als 0,4 Volt). Der LDO-Regler hat einen festen Ausgangsspannungsbereich von 0,6 bis 3,3 Volt bei einem Volt-Eingang von 1,7 bis 5,5 und weist eine VDROPOUT von 110 mV auf. Allerdings wartet der NCP171 mit einem komplexeren System zur Verlängerung der Batterielebensdauer auf, das zur Verbesserung der Reaktion beiträgt, wenn vom Stromsparmodus in den für den normalen Betrieb erforderlichen geregelten Spannungsausgang gewechselt wird.

Im Aktivmodus kann der LDO-Regler bis zu 80 mA bereitstellen; kommt der Stromsparmodus zum Einsatz, wird die geregelte Ausgangsspannung des LDO-Reglers aber nicht ausgeschaltet, sondern IOUT wird auf einen Höchstwert von 5 mA begrenzt. Da ein anderer Teil des LDO-Reglers für die Regelung verwendet wird, wird IGND deutlich reduziert und damit die Batterielebensdauer verlängert. Der Stromspar- (und Aktiv-)Modus kann über den ECO-Pin des LDO-Reglers ausgewählt werden (Abbildung 3).

Übersicht über den NCP171 von ON SemiconductorAbbildung 3: Der NCP171 von ON Semiconductor kann über den ECO-Pin aus dem Aktiv- in den Stromsparmodus geschaltet werden. Im Stromsparmodus wird IOUT auf einen Höchstwert von 5 mA begrenzt, gleichzeitig wird IGND deutlich reduziert. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Wenn der ECO-Pin auf Low gesetzt wird (bezüglich Masse), schaltet der LDO-Regler in den Stromsparmodus. IQ wird von 55 µA auf 50 nA reduziert. Die Auswirkung auf IGND ist ebenso erheblich: Im Aktivmodus ist IGND = 420 µA (IOUT = 80 mA) gegenüber dem Stromsparmodus mit IGND = 2,5 µA (IOUT = 5 mA). In diesem Modus ist die Verlustleistung nur unwesentlich höher, als wenn sich die Komponente im Abschaltmodus befindet. Der Stromverbrauch im Stromsparmodus kann noch weiter reduziert werden, indem die Nennausgangsspannung im Aktivmodus durch einen der intern programmierten Offsets von 50, 100, 150 und 200 Millivolt verringert wird.

Der entscheidende Vorteil des Stromsparmodus ist dabei die Reaktionszeit bei einer Anforderung von normaler geregelter Spannung. Wenn der ECO-Pin auf High gesetzt wird (was VOUT entspricht), schaltet er das Gerät in den Aktivmodus und setzt den LDO-Regler NCP171 in unter 100 µs wieder auf die geregelte Spannung und einen maximalen IOUT von bis zu 80 mA (Abbildung 4).

Übersicht über den NCP171 von ON Semiconductor bei seinem Wechsel vom Stromsparmodus in den AktivmodusAbbildung 4: Beim Wechsel des NCP171 vom Stromsparmodus in den Aktivmodus wird die geregelte Spannung in unter 100 µs wiederhergestellt. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Beim Starten geht der NCP171 standardmäßig in den Aktivmodus – unabhängig vom Zustand des ECO-Pins –, damit er rasch die Zielausgangsspannung erreicht und sich bei dieser stabilisiert. Dieser erzwungene Aktivmodus dauert typischerweise 35 Millisekunden (ms) und gewährleistet das schnelle Laden des Ausgangskondensators und den raschen Anstieg von IOUT, um die angeforderte Last bereitstellen zu können.

Beim Betrieb im Stromsparmodus gibt es einige Nachteile: Der Versorgungsspannungsdurchgriff (PSRR) – ein Maß zur Beschreibung der Fähigkeit des LDO-Reglers, Eingangsspannungsspitzen abzuweisen – ist geringer und das elektrische Rauschen leicht erhöht (Abbildung 5).

Diagramme: Der NCP171 von ON Semiconductor im Stromsparmodus und im AktivmodusAbbildung 5: Wenn der NCP171 sich im Stromsparmodus befindet, ist der PSRR in der Regel geringer, als wenn sich der LDO-Regler im Aktivmodus befindet. (Bildquelle: ON Semiconductor)

Der LDO-Regler NCP171 wird von dem Evaluierungskit (EVK) STR-NCP171-EVK begleitet. Das Evaluierungskit soll mit der integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) Strata Developer Studio von ON Semiconductor verwendet werden und läuft auf einem PC. Das Evaluierungskit wird mit der Entwicklungsumgebung über ein USB-Kabel verbunden und kann dann zum Ausprobieren der Funktionen des LDO-Reglers genutzt werden, wie beispielsweise das Aktivieren/Deaktivieren des LDO-Reglers und das Wechseln zwischen Aktiv- und Stromsparmodus.

Mit dem Evaluierungskit und der Entwicklungsumgebung können Entwickler zudem weitere Betriebsparameter des LDO-Reglers konfigurieren und überwachen, darunter die Eingangs- und Ausgangsspannung, die Verlustleistung und die Temperatur der Komponente.

Fazit

Ein sorgfältig ausgewählter LDO-Regler vereinfacht das Design der Stromversorgung für ein Wearable und sorgt gleichzeitig für stabile Spannung und stabilen Strom. Wenn ein LDO-Regler mit niedrigem Grundstrom und reduzierter Differenz zwischen seiner Eingangs- und Ausgangsspannung gewählt wird, können Entwickler damit eine Effizienz erreichen, die der eines Schaltreglers nahe kommt.

Die Lebensdauer der Batterie eines Wearables kann weiter verlängert werden, wenn ein LDO-Regler der neuen Generation verwendet wird, der verschiedene Betriebsmodi anbietet, die über einen speziellen Pin ausgewählt werden und mit denen die Verlustleistung begrenzt werden soll, wenn sich das Wearable für längere Zeit im Schlafmodus befindet. Üblicherweise statten die Elektronikkomponenten-Hersteller ihre LDO-Regler mit Evaluierungstools aus, mit denen Entwickler experimentell die besten Einstellungen für die Komponente herausfinden können, um so die Lebensdauer der Batterien zu maximieren.

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