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低 Iq LDO 對延長穿戴式裝置的電池續航力有多重要？

作者： DigiKey's North American Editors 2022-10-11

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使用低靜態電流 (I_q) 的線性低壓降穩壓器 (LDO) 可延長穿戴式裝置和無線物聯網 (IoT) 裝置的電池續航力，但效能層面上則要取捨，包括暫態響應、雜訊效能和輸出功率範圍。此外，靜態電流有時會被誤認為關斷電流或停用電流 (I_d)。這兩者並不相同，而且兩者之間必須取得平衡。當然，如果整體系統設計並未針對低功耗運作進行最佳化，無論是 I_q 還是 I_d 最佳化，都不會有太大用處。

在此，我們將區分 I_q 和 I_d，並簡單探討其個別對功率耗散的影響。接著會探討一些效能層面的取捨，最後以 Microchip 和 Texas Instruments 的一些範例 LDO (包含展示板) 作總結。

靜態和關斷之間的差別

靜態和關斷之間的差別在於準備就緒性。在靜態時，系統處於低功耗的作用狀態，並準備好運行。在關斷期間 (有時稱為停用模式)，系統處於休眠狀態，因此無法立即運行。這種差異對電池供電的系統尤其重要，相關例子包括無線鎖，此種鎖會長時間 (通常超過 99% 的時間) 處於待機狀態，且待機和作用時的電流消耗量之間差異很大 (圖 1)。靜態電流可用於計算輕度負載時的功率，而關斷電流則可用於決定長期的電池續航力。

圖 1：許多無線 IoT 裝置 (例如這類無線鎖)，在作用和待機時的電流消耗量之間有很大的差異。(圖片來源：Texas Instruments)

在 LDO 之類的裝置中，I_q和 I_d 之間可能有很大差異。例如，某個 LDO 的 I_q 為 25 nA，而 I_d 為 3 nA。而另一個 LDO 的 I_q 則為 0.6 µA，I_d 則為 0.01 µA。當然，事情並非如此簡單：

工作溫度也會影響 I_q 和 I_d。對於長時間在較高溫度下使用的裝置，這會是重要的考量因素。
低 I_q 裝置對於動態負載的變化，需要較長的反應時間。這個因素會因 LDO 的不同，而有很大的差異。
低 I_q 裝置會產生內部雜訊，對於雜訊敏感的應用來說，這是重要因素之一。
即使是 LDO 也會產生明顯熱能，因此依照規格書的準則進行佈局和熱管理非常重要。否則，I_q 和 I_d 效能可能會受到影響。
最低 I_q 不一定就是最佳選擇。如果 I_q 與導通狀態電流消耗量之間的差異，大於兩個數量級，則具有更高 I_q 的低成本 LDO，可能是不錯的選擇。

150 mA 低 I_q LDO 和展示板

設計人員若想設計含有單一鋰離子電池的系統，且電池所需 LDO 的輸入額定值為 1.4 至 6.0 V，而且最多可供應 150 mA 的電流，則可考慮採用 Microchip Technology 的 MCP1711 這類 LDO。此裝置的典型 I_q 為 0.6 µA，I_d 為 0.01 µA。啟用關斷模式時，輸出電容會透過 MCP1711 中的專用開關來放電，即可快速將輸出電壓降至零。MCP1711 的環境工作溫度範圍介於 -40 至 +85°C。

若要探討 MCP1711 在寬廣輸入電壓和負載範圍內的運作，設計人員可以使用 ADM00672 展示板，此板包含兩種電壓選項和兩種封裝選項：

1.8 V_out，輸入範圍為 3.2 至 6.0 V (五引線 SOT-23)
3.3 V_out，輸入範圍為 4.0 至 6.0 V (四引線 1x1 UQFN)

展示板有兩個可以獨立測試的隔離電路 (圖 2)。

圖 2：MCP1711 展示板含有兩個獨立電路，可提供 1.8 V (頂端) 和 3.3 V (底部) 的電壓。(圖片來源：Microchip Technology)

快速暫態響應和低 I_q

若想在系統上享受快速暫態響應及低 I_q 的優點，設計人員可採用 Texas Instruments 的 TPS7A02。其額定電流為 200 mA，I_q 為 25 nA，I_d 為 3 nA。可支援 0.8 至 5.0 V 的輸出電壓範圍，能以 50 mV 步進編程。此 LDO 具有低於 10 μs 趨穩時間的典型暫態響應，具有 100 mV 的下衝，而負載變動幅度從 1 mA 至 50 mA。其響應特性在負載增加與下降時不同，如圖 3 所示。TPS7A02 的指定接面溫度為 -40 至 +125°C。

圖 3：TPS7A02 的動態負載響應特性，在負載增加 (左) 和負載下降 (右) 時有所不同。(圖片來源：Texas Instruments)