使用可調式低漏電 LDO 延長穿戴式裝置設計的電池續航力

切換式穩壓器以高效率而著稱，因而成為穿戴式裝置電源供應器的主流設計選項，有助於延長電池續航力。但是，這種穩壓器佔用許多空間，費用較高，不僅會產生電氣雜訊，而且導入設計也相當複雜。

相較之下，線性穩壓器可提供無漣波的輸出，設計簡單又小巧，而且價格親民。但當負載範圍較寬時，線性穩壓器的效率通常不如切換式穩壓器，因此會影響電池續航力。不過，只要使用低壓降 (LDO) 線性穩壓器 (通常簡稱為「LDO」) 並將裝置輸出最佳化，確保其在最高效的區域內工作，差不多就可媲美切換式穩壓器的整體效率。

然而，還是有個關鍵問題有待解決。依照設計，穿戴式裝置會長期處於低功率待機模式，以維持電池續航力。即使處於這些模式，LDO 也會消耗可觀的內部電流；此電流消耗量雖小，但仍會縮短最終產品的電池續航力。

新一代的 LDO 解決方案解決了這個問題。利用這些元件，工程師可在穿戴式裝置處於低功率模式時調節輸出電流和壓降電壓，將內部功耗降到最低。

本文將說明如何挑選 LDO 為穿戴式裝置供電，然後說明如何使用新一代 LDO，在不影響使用者體驗的情況下讓效率達到最高。

選擇 LDO 還是切換式穩壓器？

在設計穿戴式裝置電源供應器的過程中，穩壓器的選擇是一項關鍵的決定，工程師須在切換式穩壓器和 LDO 之間作出抉擇。然而，兩者各有優缺點，因此要挑選適合特定應用的產品並不容易；請參閱瞭解線性穩壓器的優缺點。

穿戴式裝置帶來諸多設計難題，會讓挑選過程變得更加困難：

• 要使用小型電池，協助達到小巧的設計
• 需要耐久的電池續航力
• 需要穩定的電源，以供電給功率敏感型電子裝置
• 需要從睡眠狀態中快速喚醒，以增進使用者體驗

高效率的切換式穩壓器可以滿足電池續航力的需求，但主要缺點在於穩壓器的高頻操作會引起較大的電磁干擾 (EMI)，進而影響到穿戴式裝置敏感的微控制器和收發器。

要解決此問題，可使用切換式穩壓器轉換電壓，並且以串聯方式添加 LDO，即可將元件的輸出電壓和電流漣波降至最低。但是，這種拓撲會增加複雜度、成本，並且加大電源供應器的尺寸。

另一種方案則是使用 LDO 供應穩定的電壓，然後選擇內部功耗較低的元件，將穩壓器輸入和輸出電壓之間的差異將至最低，以便達到最高效率。

計算 LDO 的效率

LDO 的效率取決於接地電流 (I_GND) 以及輸入和輸出電壓 (V_IN 和 V_OUT)。效率的計算公式如下：

效率 = I_OUT/(I_OUT + I_GND) × V_OUT/V_IN × 100%

I_GND 是運作 LDO 內部電路所需的電流 (即輸入電流和輸出電流之差)。此電流的關鍵部分是 LDO 的靜態電流 (I_Q)，即外部負載電流趨近於零時，供電給 LDO 內部電路所需的電流。靜態電流包括誤差放大器、輸出分壓器，以及過電流和溫度感測電路等的工作電流。

由於會影響效率，因此 I_GND 和 I_Q 是 LDO 規格書中的重要規格。舉例來說，有個產品就很適合用來供電給穿戴式裝置，如 Microchip 的 MCP1811BT-028/OT LDO，其 I_GND = 180 µA (I_OUT = 300 mA 時)，I_Q = 250 nA。I_Q 會隨著 I_OUT 的升高而增加，因此 I_GND 也會隨之增加。STMicroelectronics 的 LDL112 可清楚地顯示出這種關係 (圖 1)。

圖 1：此圖清楚顯示 STMicroelectronics LDL112 LDO 的負載電流與靜態電流之間的關係。(圖片來源：STMicroelectronics)

對於 LDO 來說，若能滿足穿戴式裝置的典型負載要求，即資料的記錄和傳輸 (如幾百毫安培)，相較於 I_OUT，I_GND 可謂微不足道，因此判定效率的關鍵因素在於輸入和輸出之間的電壓差。

例如，在 V_IN 為 5 V 和 V_OUT 為 3.3 V 時，LDO 的效率為 66%；但是，當供電降低到 3.6 V 時，效率則會上升至 91.7%。LDO 的功耗可透過 P = (V_IN - V_OUT) x I_OUT 計算得出。

但是，礙於臨界值的關係，將輸入和輸出電壓之間的差異降至最低來提高 LDO 效率的方法也有其極限，若低於臨界值，元件便無法正確調節輸出電壓。這個最小臨界值稱為壓降電壓 (V_DROPOUT)。以現今的元件為例，如 STMicroelectronics 的 LDL112，在 3.3 V、1 A 的輸出下，V_DROPOUT 的測量值為 350 mV。

設計人員應注意，V_DROPOUT 是 LDO 無法再調節電源電壓的臨界點。若要達到最高規格，LDO 通常需要額外的「餘裕電壓」，亦即通常會將 V_DROPOUT 增加 250 至 500 mV，但某些 LDO 的增加量可高達 1.5 V。在判定輸入和輸出電壓之間的電壓差時，必須考量 V_DROPOUT 與餘裕電壓。

如要進一步瞭解如何在電池供電裝置中設計導入 LDO，請參閱利用進階 LDO 因應 IoT 無線感測器的電源供應器設計挑戰。

LDO 效能最佳化

如上所述，對於功率受限的設計，將 LDO 兩端的電壓差降至最低，在工程上是很棒的做法，其原因是節省的電力可大幅延長電池續航力。不過，在功率預算嚴格受限的情況下，還需要更多的努力。

其中一個需要關注的層面就是：當穿戴式裝置處於低功率模式或「睡眠」模式時 (如未使用微控制器、收發器或 GPS 功能時) 所發生的功率耗用。雖然在此模式下，最終產品的電流消耗量非常低，但 LDO 必須保持作用才能在使用者按下操作按鈕或啟動觸控螢幕時，將延遲時間降至最低。

當穿戴式裝置處於睡眠狀態時，I_OUT 相當小；因此 I_GND 對效率的影響會比正常操作期間更大。由於元件的負載較低，因此實際的功耗並不大；然而，耗電是持續且長時間的情況，，還是會對電池續航力造成重大影響。有個良好的設計做法是選擇符合規格，同時能提供最低內部電流損耗的 LDO，以便在 I_OUT 較低時，將損耗降至最低。

不過現代的 LDO 更加優秀，大多提供選項，可將選定的引腳拉低電位，即可讓元件進入關閉模式。如此即可將元件的負載完全斷開，有效地將 I_OUT 限制為 I_GND。

例如，Microchip 的 MCP1811A 包含一個關閉 (「SHDN」) 輸入，可用來關閉和開啟 LDO 輸出電壓 (圖 2)。此元件的輸入電壓介於 1.8 至 5.5 V，並提供九種固定輸出選項，輸出介於 1 至 4 V。此 LDO 的 V_DROPOUT 為 400 mV，最大輸出電流高達 150 mA，其 I_Q 為 250 nA，I_GND 為 80 µA (在 I_OUT = 150 mA、V_IN = 5 V 且 V_OUT = 4 V 下)。

圖 2：Microchip 的 MCP1811A 具有關閉模式。SHDN 引腳變為高電位並供應穩壓電壓的反應時間為 600 至 1400 µs。(圖片來源：Microchip Technology)

當 SHDN 輸入為高電位時 (最少為 V_IN 的 70%)，LDO 輸出電壓即會啟用，且元件會供應穩壓電壓。當 SHDN 輸入為低電位時 (最多為 V_IN 的 20%)，穩壓電壓的供應會關閉，而 LDO 會進入低電流的關閉狀態，此時 I_Q 通常為 10 nA 且 I_GND 約為 2 µA。

能讓 MCP1181A 進入關閉模式的好處在於可顯著節省電力，但缺點是啟動時間會對系統反應造成影響。為確保 LDO 不會因 SHDN 引腳上的系統雜訊尖波而開啟，造成電池電量浪費，關斷電路會在 SHDN 輸入的正緣設置 400 μs 的時間延遲，然後再開啟穩壓器。從運作的角度來看，這是不錯的做法，但會對反應造成影響。在經過預設的延遲時間後，如果 SHDN 輸入保持在高電位，穩壓器會隨著輸出從 0 V 升至最終穩壓值，開始對負載電容器充電。因此，從 SHDN 輸入開啟到輸出供應穩壓電壓的總時間，就等於內建的 400 μs 延遲時間加上輸出電壓上升時間。上升時間取決於 V_OUT，變動範圍從 200 到 1000 μs 不等。

同樣地，ON Semiconductor 的 NCP171 雙模式 XDFN4 封裝 LDO，可以將 ENA 引腳驅動為低電位 (低於 0.4 V) 而進入關閉模式。此 LDO 的輸入範圍為 1.7 至 5.5 V，固定輸出電壓範圍為 0.6 至 3.3 V，且 V_DROPOUT 為 110 mV。不過，NCP171 提供更為複雜的系統來延長電池續航力，從低功率模式切換到正常操作所需的穩壓輸出時，有助於改善反應。

在主動模式下，此 LDO 能夠供應高達 80 mA 的電流，而在低功率模式下，此 LDO 的調節輸出電壓並不會切斷，而是將 I_OUT 限制為最大 5 mA。由於穩壓調節所用的是 LDO 不同的部分，所以 I_GND 會大幅降低，電池續航力得到延長。低功率模式和主動模式可透過 LDO 的 ECO 引腳來選擇 (圖 3)。

圖 3：ON Semiconductor 的 NCP171 可以透過 ECO 引腳，從主動模式切至低功率模式。在低功率模式下，I_OUT 會限制在最大 5 mA，而 I_GND 則會大幅降低。(圖片來源：ON Semiconductor)

當 ECO 引腳驅向低電位時 (至接地)，LDO 會切換到低功率模式。I_Q 會從 55 µA 降至 50 nA。對 I_GND 的影響同樣顯著：在主動模式下，I_GND = 420 µA (I_OUT = 80 mA)，而在低功率模式下，I_GND = 2.5 µA (I_OUT = 5 mA)。該模式的功率耗散僅略高於元件處於關閉模式下的功率耗散。以 50、100、150 和 200 mV 的內部編程偏移值之一降低標稱主動模式輸出電壓，即可進一步降低低功率模式下的功耗。

低功率模式的主要優點是，對正常穩壓電壓需求的反應時間。當 ECO 引腳拉為高電位 (等於 V_OUT) 時，可將元件切換至主動模式，並在不到 100 µs 的時間內將 NCP171 LDO 恢復至穩壓電壓，且最大 I_OUT 高達 80 mA (圖 4)。

圖 4：將 NCP171 從低功率模式切換至主動模式，可在不到 100 µs 的時間內恢復穩壓電壓。(圖片來源：ON Semiconductor)

啟動時，無論 ECO 引腳狀態為何，NCP171 會預設為主動模式，因此可以快速達到目標輸出電壓並保持穩定。這種強制主動模式的持續時間通常為 35 ms，可確保對輸出電容快速充電及 I_OUT 快速上升，從而滿足負載需求。

在低功率模式下工作時，也有一些缺點：電源拒斥比 (PSRR) 較低且電氣雜訊會略為增加 (圖 5)；電源拒斥比可衡量 LDO 拒絕輸入電壓尖波的能力。

圖 5：NCP171 在低功率模式下的電源拒斥比，通常會低於主動模式下的比值。(圖片來源：ON Semiconductor)

NCP171 LDO 隨附 STR-NCP171-EVK 評估套件 (EVK)。此 EVK 可搭載 ON Semiconductor 的 Strata Developer Studio 整合開發環境 (IDE) 在 PC 上使用。此 EVK 透過 USB 纜線連接到 IDE 後，即可用於試驗該 LDO 的功能，如啟用／停用 LDO，以及在主動模式和低功率模式之間進行切換等。

此 EVK 和 IDE 還能讓工程師配置和監控該 LDO 的其他作業參數，包括輸入和輸出電壓、功率耗散及元件溫度。

結論

審慎挑選 LDO 可簡化穿戴式裝置的電源供應器設計，同時確保穩定的電壓和電流。選擇具有低接地電流的 LDO，並將其輸入和輸出電壓的電壓差減至最小，就可讓設計人員達到接近切換式穩壓器的效率。

新一代 LDO 提供多種工作模式，可透過專屬引腳進行挑選，此設計可在穿戴式裝置長時間處於睡眠狀態時限制功耗。選用任何新一代 LDO，即可進一步改善穿戴式裝置的電池續航力。矽產品供應商通常會在 LDO 中隨附評估工具，讓設計人員用最佳設定對元件進行實驗，以便發揮裝置的最大電池續航力。