Quanto incidono gli LDO a bassa Iq sulla durata della batteria dei dispositivi indossabili?

L'uso di regolatori lineari a bassa caduta di tensione (LDO) con bassa corrente di quiescenza (I_q) può estendere la durata della batteria dei dispositivi indossabili e dei dispositivi Internet delle cose (IoT) wireless, ma ciò influenza le prestazioni. Tra gli aspetti che ne vengono condizionati vi sono la risposta ai transitori, le prestazioni relative al rumore elettronico e l'intervallo della potenza di uscita. Inoltre, la corrente di quiescenza viene talvolta confusa con la corrente di spegnimento o disattivazione (I_d). Non sono la stessa cosa, ed è necessario raggiungere un equilibrio tra le due. E, ovviamente, né l'ottimizzazione di I_q né quella di I_d serve a molto se la progettazione generale del sistema non è ottimizzata per il funzionamento a bassa potenza.

In questa sede vedremo le differenze tra I_q e I_d e discuteremo brevemente il loro impatto sulla dissipazione di potenza. Analizzeremo quindi alcuni dei compromessi che è necessario raggiungere in merito alle prestazioni per poi chiudere con alcuni LDO di esempio di Microchip e Texas Instruments, inclusa una scheda dimostrativa.

La differenza tra quiescenza e spegnimento

La prontezza all'operatività è la vera differenza tra quiescenza e spegnimento. Nello stato di quiescenza, il sistema si trova in una fase attiva a basso consumo energetico ed è pronto a tornare operativo. Durante lo spegnimento, talvolta chiamato modalità di disabilitazione, il sistema è in sospensione e non è in grado di avviarsi all'istante. Tale differenza è particolarmente importante nei sistemi alimentati a batteria, come serrature wireless in standby per lunghi periodi (spesso per più del 99% del tempo) che presentano grandi differenze tra il consumo di corrente in condizione di standby e in condizione attiva (Figura 1). È possibile usare la corrente di quiescenza per calcolare la potenza a bassi carichi, mentre la corrente di spegnimento può servire a determinare la durata della batteria a lungo termine.

Figura 1: Molti dispositivi IoT wireless, come questa serratura wireless, presentano grandi differenze tra il consumo di corrente in condizione di standby e in condizione attiva. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

In dispositivi come gli LDO può esservi una differenza significativa tra I_q e I_d. Ad esempio, un LDO può avere una I_q di 25 nA e una I_d di 3 nA. Un altro LDO può avere invece una I_q di 0,6 µA e una I_d di 0,01 µA. Ma non è così semplice:

• la temperatura di funzionamento può influenzare I_q e I_d. Può essere importante tenerlo in considerazione per i dispositivi che saranno usati per periodi di tempo prolungati a temperature più elevate.
• I dispositivi a bassa I_q possono avere tempi di risposta più lunghi alle variazioni di carico dinamico. Questo fattore varia in modo considerevole da un LDO all'altro.
• I dispositivi a bassa I_q possono generare rumore elettronico interno, che può rivelarsi un fattore importante nelle applicazioni sensibili al rumore.
• Gli LDO sono in grado di generare un calore notevole, cosa che rende importante seguire le linee guida della scheda tecnica per il layout e la gestione termica. In caso contrario, le prestazioni di I_q e I_d potrebbero essere compromesse.
• Non è sempre l'ideale scegliere il valore di I_q più basso. Se la differenza tra I_q e il consumo di corrente durante lo stato On è di due ordini di grandezza maggiore, potrebbe essere una buona idea optare per un LDO dal costo inferiore con una I_q maggiore.

LDO da 150 mA e bassa I_q e scheda dimostrativa

I progettisti di sistemi con una sola batteria agli ioni di litio che necessitano di un LDO con capacità nominale per ingressi da 1,4 a 6,0 V e che forniscono corrente fino a un massimo di 150 mA possono optare per gli LDO MCP1711 di Microchip Technology. Questo dispositivo ha una tipica I_q di 0,6 µA e una I_d di 0,01 µA. Quando il sistema è in modalità di spegnimento, il condensatore di uscita si scarica attraverso un interruttore dedicato di MCP1711, così da ridurre in poco tempo la tensione di uscita a zero. MCP1711 vanta un intervallo della temperatura di funzionamento da -40 a +85 °C.

Per esplorare il funzionamento di un dispositivo MCP1711 in relazione a una tensione di ingresso e un intervallo di carico ampi, i progettisti possono usare la scheda dimostrativa ADM00672, che include due opzioni per la tensione e due opzioni di contenitore:

• 1,8 V_out con un intervallo di ingresso da 3,2 a 6,0 V in un SOT-23 a cinque conduttori
• 3,3 V_out con un intervallo di ingresso da 4,0 a 6,0 V in un UQFN 1x1 a quattro conduttori

La scheda dimostrativa presenta due circuiti isolati che possono essere testati in modo indipendente (Figura 2).

Figura 2: La scheda dimostrativa MCP1711 include due circuiti indipendenti che forniscono 1,8 V (alto) e 3,3 V (basso). (Immagine per gentile concessione di Microchip Technology)

Rapida risposta ai transitori e bassa I_q

Per i sistemi che beneficiano di una rapida risposta ai transitori e di una bassa I_q, i progettisti possono rivolgersi ai dispositivi TPS7A02 di Texas Instruments. Hanno una capacità nominale di 200 mA, una I_q di 25 nA e una I_d di 3 nA. Supportano un intervallo della tensione di uscita da 0,8 a 5,0 V, programmabile in incrementi da 50 mV. Questo LDO ha una risposta ai transitori tipica con un tempo di assestamento inferiore a 10 μs, con una sottoelongazione di 100 mV per una variazione di carico incrementale da 1 mA a 50 mA. Le sue caratteristiche di risposta variano in base ad aumenti e riduzioni del carico, come mostrato nella Figura 3. La temperatura di giunzione di TPS7A02 è specificata da -40 a +125 °C.

Figura 3: Le caratteristiche di risposta dinamica del carico di TPS7A02 variano in base ad aumenti del carico (sinistra) e riduzioni del carico (destra). (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Conclusione

L'I_q è una caratteristica importante da tenere in considerazione quando si progetta un sistema con una lunga durata della batteria, ma è solo uno di tanti fattori da valutare. A seconda del profilo operativo e dei modelli di consumo energetico del dispositivo, è importante soppesare anche l'I_d. Vi è una vasta gamma di fattori, tra cui la temperatura di funzionamento, che influenza sia I_q che I_d e c'è un intervallo ottimale per Iq e Id. Un valore inferiore non è sempre l'opzione migliore.

Letture consigliate:

Come progettare dispositivi indossabili sempre in funzione a basso consumo energetico: parte 1 – Ottimizzazione del microcontroller