利用進階 LDO 因應 IoT 無線感測器的電源供應器設計挑戰

物聯網 (IoT) 極度仰賴著由各種無線感測器監測參數組成的網路，例如溫度、濕度、壓力、震動、加速、空氣品質和光強度。這些無線感測器採用諸如低功耗藍牙 (Bluetooth LE) 或 Zigbee 等短程 RF 技術，其特點為低量、低工作週期數據交換。(請參閱知識庫文章《比較低功耗無線技術》。)

這些無線感測裝置的使用模型和功率分佈，無論是在產品尺寸、成本、可靠性、穩定性和效率方面，皆讓電源供應器設計人員面臨獨一無二的挑戰。

本文將說明這些挑戰的來源，隨後介紹最新低壓降 (LDO) 線性穩壓器解決方案的範例，並說明其何以能為無線 IoT 感測器的電源供應器提供良好基礎。本文亦提供一些準則，確保讓設計人員能充分善用上述最新解決方案，進而大幅提升設計成功率。

切換式穩壓器還是 LDO？

IoT 無線感測器讓電源供應器設計人員備受挑戰的原因如下：

• 通常由尺寸不大的電池供電，但仍必須維持長效電池續航力
• 長時間處於低功率睡眠模式，然後快速喚醒以傳送和／或接收數據，接著再迅速返回睡眠模式
• 通常將 RF 收發器與微控制器整合至單一晶片
• 測量微小訊號變異
• 採用大量部署，因此必須具備價格相對較低以及低維護等特點

設計人員可運用以下三種選擇來為感測器供電：切換式穩壓器、LDO 或結合這兩者。由於每個選擇皆有各自的權衡點，因此要做出適合的選擇並非易事。

舉例而言，切換式穩壓器提供高效率，是延長電池續航力的絕佳選擇。不過，對於無線感測器處於「睡眠」模式等低負載狀況，其運作效率較低，而「睡眠」模式常常用於達到省電目的。再者，切換式穩壓器更為複雜，會同時拉高設計週期時間與潛在成本。此外，切換式穩壓器的高頻率運作會產生電磁干擾 (EMI)，這會影響到敏感無線系統單晶片 (SoC) 微處理器與收發器。最後，同樣的干擾情形也會影響到來自感測器的微小訊號變異，對於量測精確度造成限制。

相反地，LDO 線性穩壓器產生的 EMI 極低，並且在使用上相對簡單且便宜。然而，在可變輸入電壓與負載範圍內，LDO 的運作效率通常會遜於切換式穩壓器。此外，LDO 僅可使用於降壓設定，而不像切換式穩壓器那樣可用於降壓／升壓拓撲。這種情形會使可用電池蓄電量受到限制。

LDO 對於快速負載變化亦容易產生中階暫態響應，例如當無線收發器從睡眠狀態快速啟動時。這會導致發生電壓尖波而損壞感測器電路。

為了善用切換式穩壓器的效率，以及 LDO 的電壓軌穩定性和強大的負載點 (POL) 傳輸特性，通常會將這兩種做法結合使用。不過，此類拓撲會使複雜度、成本和尺寸相形增加，亦會面臨佈局和庫存管理等難題。

除了兼用兩種做法外，設計人員可選擇單用 LDO，但必須確保運作效率符合設計需求。兩種特性至關緊要：「壓降電壓」(或稱 V_DROPOUT) 與平均輸入輸出電壓差。

壓降的重要性

就傳統線性穩壓器而言，一旦輸入／輸出壓降達到電晶體的電壓負荷 (約 2 V)，功能即會受到影響。這會導致運作效率受到限制。

一般 LDO 會將傳統線性穩壓器中用做序列控制元件的 NPN 電晶體或 N 型 MOSFET，替換為 PNP 電晶體或 P 型 MOSFET (圖 1)。這使得電路發生改變，讓其成為電流源而非射極 (源極) 隨耦器。

圖 1：LDO 中的導通元件為 P 型 MOSFET，可在臨近飽和狀態下運作。這與傳統線性穩壓器相比，能透過降低 V_DROPOUT 來增進運作效率。(圖片來源：Texas Instruments)

P 型 MOSFET 可在臨近飽和狀態下運作，因而會大幅降低輸入／輸出電壓壓差下限。此為「壓降電壓」或 V_DROPOUT，裝置可在此電壓下適度調節輸出電壓。理想 LDO 的 V_DROPOUT 通常低於 200 mV。

隨著新一代 LDO 產品的引進，可為設計人員提供更低的 V_DROPOUT，進而能夠增進效率、限制睡眠模式電流，以及增加電池的可用蓄電量。如前文所述，無線感測器有極長時間皆處於睡眠模式。此特點可達到省電目的，然而處於睡眠模式的時間可達到 99%，因此利用低壓降來降低睡眠模式電流參數，對於延長電池續航力而言至關緊要。

抑制雜訊和漣波

新型 LDO 亦具備更出色的暫態電壓響應與輸入漣波濾波能力，可更加穩定地執行供電以及能改善電源拒斥比 (PSRR)。設計人員可藉由增加輸出電容的值並降低其等效串聯電阻 (ESR)，進一步改善 LDO 的暫態響應；同時亦須留意覆蓋區、體積和成本。

PSRR 可針對電源供應器輸入，測量電路是否能夠妥善抑制無關緊要的訊號 (雜訊和漣波)。PSRR 無業界標準定義，但一般定義為供應電壓變化與產生之同等 (差動) 輸出電壓的比率 (單位為 dB)。

PSRR 取決於頻率。在1 kHz 條件下，理想 LDO 的效能評估數據為 60 至 110 dB (圖 2)。

圖 2：此繪製圖顯示高效能 LDO 的 PSRR 頻率響應：在1 kHz 條件下，理想 LDO 的效能評估數據為 60 至 110 dB。(圖片來源：Analog Devices)

對於電池供電的直流 (DC) 輸入 (例如可能用於無線感測器) 而言，無關緊要的訊號遠少於 AC 供電，但仍可能會發生。在此類應用中，具備優異 PSRR 的 LDO 是值得投資的選擇，因為其可確保電壓穩定。

無線感測器電源供應器設計考量事項

新一代 LDO 為無線感測器提供很有前景的供電解決方案，但重要關鍵之處，仍是在設計過程中必須謹慎考量到裝置具備的特性。舉例來說，線性穩壓器無法逆變供電，因此當供電電路需要負電壓時，必須使用負輸入電壓。

對於電池續航力至關緊要的無線感測器應用，第二個重要考量事項是 LDO 僅可在降壓設定下運作這項特點。這一限制要求電池輸入電壓必須高於感測器電子裝置所需的電壓上限。

在無線感測應用中，如果一般藍牙 LE SoC (例如 Dialog Semiconductor 的 DA14585 或 Nordic Semiconductor 的 nRF52832) 透過降壓設定的電源供應器供電，則需要最低輸入電壓應為 1.5 V 至 1.7 V。

這對初始電池選擇有影響：單顆 1.2 V AA 鎳鎘 (NiCad) 電池不在選擇範圍內。其亦會影響到總計可用電池蓄電量，因為當電壓壓降低於無線 SoC 所需的下限時，電池仍可能會殘留電荷。這些因素均會在考量電池時產生影響，不過無線感測器應用的常見選擇是 Panasonic 的 3 V、225 mAh CR2032 鈕釦型鋰錳電池。此電池具備輕量 (2.9 公克)、高放電、放電時電壓穩定以及持久可靠性等特性。

限制壓降電壓可提升 LDO 效率

一般情況下，LDO 的運作效率低於切換式穩壓器，然而當輸入與輸出電壓間的差異縮減時，其運作效率會提升；效率 = V_OUT/V_IN。此原因在於電壓差異越小，LDO 內部電路耗散的功率就越少。同時還有大大減少散熱相關問題的附加優點。只要電壓差動夠小，LDO 即可展現 95% 至 99% 的運作效率。

理想的設計做法是，藉由選擇適當的輸入與輸出電壓，在效率與可用電池蓄電量之間做出權衡。若 LDO 壓降時電池仍殘留大量電力，藉由縮減輸入與輸出電壓之間的差異來提升效率即無太大意義。

這會產生以下問題：LDO 何時會壓降？處於 V_DROPOUT 時，做為電阻使用的 LDO 導通元件 (P 型 MOSFET 的 PNP 電晶體)，與電晶體的汲極對源極導通電阻 (RDS_ON) 具有相等值。在指定負載電流 (I_LOAD) 下，V_DROPOUT = I_LOAD × RDS_ON。

針對現今 LDO 使用的 PNP 電晶體或 P 型 MOSFET，RDS_ON 約等於 1 Ω。好消息是，一般無線感測器採用適度的工作電流，因而使得 V_DROPOUT 相當低。舉例而言，適合無線感測器應用的一般平均電流負載為 190 µA。因此，V_DROPOUT = 190 µA x 1 Ω = 190 µV。譬如，在執行無線數據傳輸的過程中，無線 SoC 的 I_LOAD 可能會達到 7.5 mA 的峰值，而使 V_DROPOUT 提升至 7.5 mV。幅度變大但相對而言仍偏低。

然而，設計人員應注意，V_DROPOUT 是 LDO 無法再調節供應電壓的臨界點。為了符合其完整規格，LDO 通常需要額外的「餘裕電壓」。此餘裕電壓通常會另外新增 250 至 500 mV 到 V_DROPOUT，但針對某些 LDO 餘裕可高達 1.5 V。建議供應商在規格書中列出餘裕電壓。

當無線感測器處於超低功率睡眠模式時，幾乎不需要電流便能保持「運作」狀態，而 LDO 會繼續消耗一些電流。針對理想的 LDO 而言，此靜態電流通常僅有數 µA 的程度。雖然看似微不足道，但長期下來此電流消耗會大幅影響到電池續航力，特別是如前文所述，無線感測器會耗費高達 99% 的大部分時間處於睡眠模式。若安裝作業使用數十個感測器，此問題會更為加劇。電池續航力成為避免頻繁昂貴地進行更換的一大關鍵。

此外，在無線感測器應用中，LDO 提供優異的暫態電壓和負載響應亦很重要。在管理無線感測器的功率預算時，關鍵因素在於確保裝置在需要傳送或接收數據時盡可能地快速運作，以盡量縮短相對較高之發射／接收電流的持續時間。無線 SoC 在處於睡眠狀態時僅消耗數十奈安培的電流，但在執行發射或接收作業時，電流會遽升兩個數量級。

LDO 針對此狀況的暫態響應，係定義為負載電流快速變化下的輸出電壓變異 (圖 3)。

圖 3：輸出負載快速變化下的暫態電壓響應，是無線感測器應用 LDO 效能的重要指標。此圖顯示針對高效能 LDO 的響應。(圖片來源：Maxim Integrated)

對暫態響應的主要影響是 LDO 控制回授迴路的增益頻寬。若負載暫態速度快於補償迴路的響應速度，則會因發生振鈴導致產生 EMI。在低負載無線感測器應用中，關鍵問題是存在一個區域，其中傳統式 LDO 穩壓器會受到迴路增益降低的影響。某些新型 LDO 採用低電流模式電路，在處於極微或無負載狀況下提升迴路增益，使得改善後的暫態響應降至零輸出電流。

LDO 因應無線感測器挑戰

LDO 調節無線感測器電壓的重要操作參數如下：

• 低 RDS_ON (將全體工作電流範圍的 V_DROPOUT 降至最低)
• 低負荷電壓
• 低靜態電流
• 良好 PSRR
• 良好暫態負載響應
• 良好低負載迴路增益

其他重要因素包括封裝尺寸、必要周邊裝置元件數量和成本。

Texas Instruments 的 TPS7A10 LDO 是適合無線感測器應用的絕佳選擇。採用 1.5 mm x 1.5 mm 的精巧封裝尺寸，輸入電壓範圍為 0.75 V 至 3.3 V，輸出範圍為 0.5 V 至 3.0 V。在指定負載、線路和溫度變化範圍內，穩定度在 1.5% 內。輸出範圍與上述 Dialog Semiconductor 或 Nordic Semiconductor 範例的輸入電壓需求完美契合 (1.5 V 至 3.6 V)。

在一般無線感測器工作條件下，TI 晶片的 V_DROPOUT 僅有數十毫伏 (300 mA 時最大值為 70 mV (V_OUT > 1.0 V))，而 LDO 的電壓負荷約為 250 mV。LDO 可供應 300 mA 電流，且靜態電流僅有數微安。TI 亦建議針對類比感測器所用的處理器，使用 LDO 供應低核心電壓。LDO 的 PSRR 為 60 dB (1 kHz 時)。TI 整合低電流模式電路來提升超輕度負載下的迴路增益，從而增強暫態響應。

針對實驗用途並協助開展設計，TI 亦提供 TPS7A10EVM-004 評估模組。此評估模組具備單一 LDO，可讓工程師在工作條件範圍下輕鬆評估 TPS7A10 的運作和效能 (圖 4)。

圖 4：TI 的 TPS7A10EVM-004 評估模組可讓工程師輕鬆評估 TPS7A10 LDO，還可提供散熱與佈局設計準則。(圖片來源：Texas Instruments)

Maxim Integrated 提供的 MAX8636ETA+，亦是適合無線感測器應用的理想 LDO 選擇。 此裝置採用 2 mm x 2 mm 封裝尺寸，可在 2.7 V 至 5.5 V 的輸入電壓下運作。LDO 提供兩種輸出；其中一種可透過 2.6 V 至 3 V 設定，另一種可透過 1.5 V 至 2.8 V 設定。所有輸出皆可提供最高 300 mA 的電流。在一般無線 SoC 負載下，V_DROPOUT 為數十毫伏 (100 mA 時最大值為 90 mV)。在開啟兩個 LDO 的情況下，典型靜態電流約為 54 μA。MAX8636ETA+ 的 PSRR 為 60 dB (1 kHz 時)，具備可靠的暫態負載響應。

若需要負電壓軌，建議選擇 Analog Devices 的 LT3094 超低雜訊、超高速 PSRR LDO。除了負電壓輸入為 -1.8 V 至 -20 V 外，其他特性與 TI 和 Maxim Integrated 裝置相似。產品尺寸為 3 mm x 3 mm，最大輸入為 -19.5 V。輸出電流可達 500 mA (最大)。

針對 100 mA 以下電流，LT3094 的 V_DROPOUT 為 200 mV，靜態電流為 3 µA，1 kHz 時的 PSRR 為 60 dB，並且具備可靠的暫態響應。此裝置可與另一個 LT3094 LDO 並聯運作，以降低雜訊。

Analog Devices 提供適用於 LT3094 的 DC2624A 展示板，可做為最佳電路佈局與物料清單 (BOM) 的實用指南，以針對 LDO 盡量降低雜訊並展現最高 PSRR。

實用的實作範例

針對上述 Dialog 或 Nordic Semiconductor 裝置等採用 SoC 的無線感測器，TI、Maxim 和 Analog Devices LDO 皆為理想的穩壓產品選擇。譬如在以下考量的簡易應用當中，SoC 是電池電力的主要消耗來源，而選擇的電池為 Panasonic CR2032。無線 SoC 可透過 1.5 V 至 3.6 V 的電壓輸入來運作。電池初始供應標稱電壓為 3 V。

如果選擇的 LDO 輸出採用 2.5 V，則適用於無線 SoC 的輸入電壓規格即可滿足需求。當電池完全充電時 (亦即供應 3 V 電壓)，LDO 的運作效率為 83%；在 20˚C 以及平均無線感測器工作電流 190 µA 下經過 1000 小時運作後，電池仍可供應約 2.7 V 的電壓，且運作效率提升近 93%。

假設電壓輸出在 1000 小時運作時間內大致呈線性衰減，則 LDO 的平均效率 (處於恆定 190 µA 負載時) 為 88%。在發生壓降之前，通常會使用約 74% (88% 平均效率 x 84% 可用蓄電量) 的電池電力來為感測器供電 (圖 5)。

圖 5：在 190 µA 的一般無線感測器平均電流負載和 20˚C 的工作溫度下，CR2032 電池可維持 1000 小時供應超過 2.7 V 的電壓。(圖片來源：Panasonic)

結論

隨著無線 IoT 感測器將持續受到大量採用，設計工程師必須考量到當處於工作和睡眠模式時，如何盡可能地將功耗降至最低。

切換式穩壓器雖然一般來說效率較佳，但針對無線感測裝置的功率分佈和使用模式，其運作效率優勢相對於 LDO 而言會迅速減弱。此外，新一代 LDO 產品正在縮短效率差距，同時提供增進的 PSRR，以及更快速的暫態負載響應。

LDO 還具有設計精簡性、成本效益、輕巧尺寸和低雜訊等優勢，因此做為無線 IoT 感測器專用的獨立電源供應器而言，是非常值得慎重考慮的選擇。不過將 LDO 優勢發揮極致的關鍵在於，選擇一種能與無線感測器電子裝置之電壓與電流需求更為密切契合的產品。