¿Qué tan importantes son los LDO de lq baja para una batería de larga duración en los dispositivos portátiles?

Utilizar reguladores lineales de caída baja (LDO) con corriente de reposo baja (l_q) puede prolongar la vida útil de la batería en los dispositivos portátiles y en los dispositivos inalámbricos de internet de las cosas (IoT), pero, a su vez, existen compensaciones de rendimiento. Aquí se incluyen las respuestas transitorias, el rendimiento del ruido y el rango de la potencia de salida. Además, a veces se confunde a la corriente de reposo con la corriente de apagado o la corriente de desactivación (l_d). No son lo mismo y es necesario llegar a un equilibrio entre las dos. Y, por supuesto, ni la optimización de la l_q ni de la l_d son de mucha utilidad si el diseño general del sistema no está optimizado para funcionar en baja potencia.

Aquí estableceremos las diferencias entre la l_q y la l_d, y analizaremos brevemente el impacto que tiene cada una en la disipación de potencia. Luego, revisaremos algunas de las compensaciones de rendimiento antes de cerrar con algunos LDO ejemplares de Microchip y Texas Instruments, incluida una placa de demostración.

La diferencia entre el reposo y el apagado

La preparación es la diferencia entre el reposo y el apagado. En estado de reposo, el sistema está en un estado activo de baja potencia y listo para funcionar. Durante el apagado, a veces conocido como modo de desactivación, el sistema está suspendido y no está listo para funcionar de inmediato. La diferencia es especialmente importante en los sistemas que funcionan con baterías, como las cerraduras inalámbricas que pasan períodos prolongados (a menudo, más de 99% del tiempo) en modo de espera y tienen grandes diferencias entre el consumo de corriente en modo de espera frente al modo activo (Figura 1). La corriente de reposo se puede utilizar para calcular la potencia con cargas ligeras, mientras que la corriente de apagado se puede utilizar para determinar la vida útil de la batería a largo plazo.

Figura 1: Muchos dispositivos inalámbricos de IoT, como esta cerradura inalámbrica, tienen grandes diferencias entre el consumo de corriente activa frente a la corriente en espera. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

En dispositivos como los LDO puede haber una diferencia significativa entre la l_q y la l_d. Por ejemplo, un LDO tiene una l_q de 25 nanoamperios (nA) y una l_d de 3 nA. En otro caso, un LDO tiene una l_q de 0.6 microamperios (µA) y una l_d de 0.01 µA. Desde luego, no es tan simple:

• La temperatura de funcionamiento puede afectar la l_q y la l_d. Esta puede ser una consideración importante para los dispositivos que se utilizarán durante períodos prolongados a temperaturas más altas.
• Los dispositivos de l_q baja pueden tener tiempos de respuesta más largos a los cambios de carga dinámicos. Este factor varía considerablemente entre los LDO.
• Los dispositivos de l_q baja pueden generar ruido interno, lo que puede ser un factor importante en las aplicaciones sensibles al ruido.
• Incluso los LDO pueden generar una cantidad importante de calor, por lo que es importante seguir las pautas de la hoja de datos para el diseño y la gestión térmica. De lo contrario, el rendimiento de la l_q y la l_d se puede ver afectado.
• La l_q más baja no es necesariamente la mejor opción. Si la diferencia entre la l_q y el consumo de corriente en el estado es mayor a dos órdenes de magnitud, un LDO de menor costo con una l_q más alta puede ser una buena opción.

LDO con l_q baja de 150 mA y placa de demostración

Los diseñadores de sistemas con una sola batería de ion de litio que necesiten un LDO clasificado para entradas de 1.4 a 6.0 voltios y que suministren más de 150 miliamperios (mA) de corriente puede considerar los LDO como el MCP1711 de Microchip Technology. Este dispositivo tiene una l_q típica de 0.6 µA y una l_d de 0.01 µA. Cuando se activa el modo de apagado, el condensador de salida se descarga a través de un interruptor dedicado en el MCP1711 para reducir rápidamente el voltaje de salida a cero. El MCP1711 tiene un rango de temperatura ambiente de funcionamiento de -40 a +85 °C.

Para explorar el funcionamiento del MCP1711 en un rango amplio de cargas y voltajes de entrada, los diseñadores pueden utilizar la placa de demostración ADM00672 que incluye dos opciones de voltaje y dos opciones de paquete:

• _Salida de 1.8 V con un rango de entrada de 3.2 a 6.0 voltios en un SOT-23 de cinco conductores
• _Salida de 3.3 V con un rango de entrada de 4.0 a 6.0 voltios en un UQFN 1x1 de cuatro conductores

La placa de demostración tiene dos circuitos aislados que se pueden probar independientemente (Figura 2).

Figura 2: La placa de demostración del MCP1711 incluye dos circuitos independientes que suministran 1.8 voltios (parte superior) y 3.3 voltios (parte inferior). (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

Respuesta transiente rápida y l_q baja

Para los sistemas que se benefician de una respuesta transiente rápida y una l_q baja, los diseñadores pueden recurrir al TPS7A02 de Texas Instruments. Está clasificado para 200 mA con una l_q de 25 nA y una l_d de 3 nA. Admite un rango de voltaje de salida de 0.8 a 5.0 voltios, programable en pasos de 50 milivoltios (mV). Este LDO tiene una respuesta transiente típica de menos de 10 microsegundos (μs) de tiempo de estabilización, con un subimpulso de 100 mV para un cambio de carga de paso de 1 mA a 50 mA. Sus características de respuesta difieren para los aumentos y las disminuciones de carga, como se muestra en la Figura 3. La temperatura de la conexión TPS7A02 se especifica entre -40 y +125 °C.

Figura 3: Las características de respuesta de carga dinámica del TPS7A02 difieren para los aumentos de carga (izquierda) y las disminuciones de carga (derecha). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Conclusión

La l_q es una característica importante que se debe considerar cuando se diseña para una batería de larga duración, pero es solo uno de los varios factores que se deben considerar. Según el perfil de funcionamiento y los patrones de consumo de energía en un dispositivo, la l_d es también una consideración importante. Hay una diversidad de factores, como la temperatura de funcionamiento, que afectan tanto a la l_q como a la l_d, y existe un rango óptimo para la lq y la ld. Menos no siempre es mejor.

Lectura recomendada:

Cómo diseñar dispositivos portátiles encendidos permanentemente de baja energía: Parte 1: optimizar el microcontrolador