消费电子产品电子设计指南(电源供电): 如何选取LDO

消费电子产品是在日常生活中与普通消费者接触最密切的电子产品。通常来说,消费电子产品的出货量很大而且价格非常敏感。由于这两个特性,消费电子产品的设计工程师和制造商必须在设计之初就要以尽可能降低工艺成本和元件成本为目标。

本教程将与读者分享消费电子产品电源部分低压差稳压器(LDO)的一些设计心得。

对我个人而言,在消费电子产品设计之初最先考虑的部分就是产品的电源。一个稳定正常使用的产品必须要有一个可靠的供电电源。消费电子产品通常使用直流供电。稳定的直流电源供应一般有两种方式:降压-升压变换器(buck-boost converter)和低压差稳压器(Low-dropout regulator, 简写作LDO)。Buck-boost的优点在于它的输入输出范围都比较大,输出电流大而且能量转换效率高。但是缺点在于电路复杂,外部电路元件较多,成本很高。LDO的优点在于外部电路元件很少,电路设计简单,成本很低。缺点在于输入电压范围有一定要求,而且输出电流通常在500mA以下,转换效率不高。

通常来说,消费电子的电路工作电压都比较低,通常在2.8V-3.3V之间,以3.3V最为常见。而且MCU等IC的耗电量也不高,适合使用LDO作为稳定的电源。最常见的设计方式就是以一个3.7V锂电池搭配一个3.3V输出的LDO。LDO虽然不像MCU是整个电路的神经中枢,但是如果没有合理选择LDO,整个电路的稳定性也就无从谈起。通过分析LDO的datasheet研判相关参数是否适合满足设计要求,我们就可以对产品性能做到心中有数。

下面以荃发电子有限公司(http://www.ftelectronic.com/)代理的维安WR0331系列CMOS LDO为例,介绍在选择LDO时必须认真关注的参数。感兴趣的同学可以向荃发电子免费索取样品(邮件至fortune@ftelectronic.com或者微信公众号“荃发电子有限公司”后台留言)。

输入电压、输出电压和输出电流

输入电压(Input Voltage, Vin)、输出电压(Output Voltage, Vout)和输出电流(Output Current, Iout)是LDO最重要的三个个参数。

可以看出WR0331系列LDO的输入电压在2.1V~5.5V之间。意味着只有只有在上级电源处于2.1~5.5V之间的直流电源才能使用WR0331。如果上级电源是12V的直流电源插头或者220V交流的市电,显然就不能直接用WR0331了。而如果上级电源是USB(4.8V~5.2V)或者锂电池(2.5V~4.2V),我们就可以直接搭配使用WR0331。

在datasheet的第一页Features里我们看到WR0331输出电压在1.1V~3.3V之间。这并不是说WR0331的输出电压是变化的。相反这在提醒我们WR0331不是某一个具体IC的型号,而是一个系列的型号。WR0331系列里有很多具体的型号可以提供从1.1V到3.3V不同的输出电压。我们必须把datasheet拉到下面第12页的Ordering Information去具体查看不同part number所对应的不同输出电压及封装。

通常来说,SOT-23-3封装3.3V输出的WR0331-33A30R已经可以满足绝大多数的应用场景。如果额外需要Enable讯号来控制LDO的开与关,则可以选取SOT-23-5封装。DFN封装则在电路板面积有限,必须进行高密度排布的时候比较常用。

静态电流和压差

静态电流(quiescent current, Iq)描述了LDO接入电源时自身的耗电情况。静态电流越低,设备就可以待机越长时间。以WR0331为例,它的Iq典型值为4uA。如果使用一块400mAh的锂电池供电的话,在待机情况下不考虑其他负载的耗电仅计算LDO的耗电,我们粗略可以算出设备可以待机400mAh/4uA=100kh=4167 days = 11.4 years, 足足可以待机11.4年之久!当然,电池本身的自放电和其他IC的静态电流都会影响到最终设备可以待机的时间。但LDO的静态电流仍旧是对我们设计电路待机时行为的一个重要观察指标。

LDO之所以称作低压差稳压器,就是因为它的输入输出压差(Dropout Voltage)可以做的非常低。LDO与Buck-boost不同,LDO的输入电压必须高于输出电压才能保证输出电压的稳定。而输入电压也不是可以无限接近输出电压的,Vin必须比Vout高出一个Vdropout才能正常稳定输出电流Iout。负载不同时,所需要的输出电流Iout也不同。Iout越低,Vdropout也就可以越低。

以WR0331为例,对于Vout=3.3V的情况,输出电流为100mA时Vdropout仅为75mV,输出电流为300mA时Vdropout仅为230mV。换句话说,假设我们在使用3.7V锂电池供电,那我们直到锂电池放电至3.375V时都可以稳定获得100mA@3.3V的输出电流,或者直到锂电池放电至3.53V时都可以稳定获得300mA@3.3V的输出电流。我们直到锂电池的电量95%都集中在3.5V到4.2V之间。那么在使用WR0331设计时,我们可以消耗锂电池95%的电量并稳定获得300mA的电流让设备正常工作。当锂电池电压下降到3.5V以下时,我们仍可维持100mA的输出电流,使设备正常进行备份、休眠等程序。

温升

LDO因为转换效率不高,工作的时候会产生大量的热量。通常来说,以热能方式耗散在LDO上的功率可以用下列公式计算:

P = (Vin – Vout) * Iout

查看WR0331的datasheet我们可以看到,SOT23-3封装的热阻系数是250°C/W。假设我们需要300mA@3.3V的输出,以4.2V充满电的锂电池为例,最坏温升情况是先算功率P = (4.2V – 3.3) * 0.3A = 0.27W,再算温升T= 0.27W * 250°C/W = 67.5°C。正常情况(锂电池正常工作电压3.7V)P = (3.7V – 3.3) * 0.3A = 0.12W,再算温升T= 0.12W * 250°C/W = 30°C。

线路调节和负载调节

线路调节(Line Regulation)和负载调节(Load Regulation)分别表征输入电压发生波动和输出电流发生波动时,LDO保持稳定输出Vout的能力。查找WR0331的规格书我们看到她的Line Regulation只有0.1%/V,这意味着当LDO的输入电压每变化1V时,LDO的输出电压只会变化千分之一。WR0331的Load Regulation只有20mV,这意味着输出电流在1-300mA变化时,输出电压只会变化0.02V。

通过上面的介绍相信大家对如何选取合适的LDO已经有了大概合适的思路。维安WR0331有着不逊TI,Diodes Inc.等大厂的电气表现,感兴趣的同学可以发邮件至fortune@ftelectronic.com或者在荃发电子有限公司的微信公众号后台留言申请免费样品。

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