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通过LDO、电压监控器和FET延长电池寿命

由 judy 提交于

延长电池寿命是各种应用中常见的设计要求。无论是玩具还是水表，设计师都有各式技术来提高电池寿命。在这篇博文中，我将阐述一种可策略性地绕过低掉电线性稳压器（LDO）的技术。

<strong>生成导轨</strong>

使用LDO是从电池产生调节电压的常用方式。对于在完全充电时输出4.2V的单节锂离子（Li-ion）电池尤其如此。

假设您要为电源电压范围在3V至3.6V之间的微控制器（MCU）生成3.3V，并选择<a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/TPS706">TPS706</a>生成该导轨。图1阐述了该电路。

<center><img src="http://www.eetrend.com/files-eetrend/technology/201708/100073443-105635…; alt="图1：TPS706从电池调压3.3V"></center>
<center>图1：<a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/TPS706">TPS706</a>从电池调压3.3V</center&gt;

尽管这个电路很简单，但它有一些限制。其中首要限制因素是掉电，这将导致LDO停止调压，并可能使MCU的供电电压超出规定范围。

<strong>掉电的含义</strong>

随着电池放电，锂离子电池的电压下降。图2所示为放电曲线的示例。

<center><img src="http://www.eetrend.com/files-eetrend/technology/201708/100073443-105636…; alt="图2：锂离子电池电压随时间推移下降"></center>
<center>图2：锂离子电池电压随时间推移下降</center>

当您记起输入电压接近稳压输出电压时，LDO有可进入压差的风险，这可能令人不安。在某一点上，电池电压将下降到很低电平，使得<a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/TPS706">TPS706</a>将不再能够调压3.3V。相反，输出电压将开始跟踪等于压差电压的差值的电池电压。

当输出电流为50mA，输出电压为3.3V时，<a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/TPS706">TPS706</a>规定了典型的压差为295mV的电压。因此，一旦电池电压降至3.6V以下，LDO可能会进入掉电。图3提供了这类行为的一个示例。

<center><img src="http://www.eetrend.com/files-eetrend/technology/201708/100073443-105637…; alt="图3：TPS706进入掉电模式"></center>
<center>图3：<a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/TPS706">TPS706</a>进入掉电模式</center&gt;

如图所示，一旦VIN下降到3.6V左右，VOUT开始下降。由于MCU供电范围的下限为3V，这令人不安 —— 掉电可能导致VOUT非常快速地降至3V以下。

<strong>避免掉电</strong>

规避这个问题的一个方法是在它进行掉电之前或进入掉电时绕过LDO。图4说明了此解决方法。

<center><img src="http://www.eetrend.com/files-eetrend/technology/201708/100073443-105638…; alt="图4：使用P-通道MOSFET来绕过LDO"></center>
<center>图4：使用P-通道MOSFET来绕过LDO</center>

在该电路中，<a href="http://www.ti.com.cn/product/cn/TPS3780">TPS3780</a>是双通道电压检测器，通过SENSE1监视电池电压。如果电池电压应低于3.4V，则OUT1将P-通道MOSFET的栅极驱动为低电平。这使得电流（蓝色箭头）流经MOSFET的漏极 - 源极端子，而不是流经LDO的输入 - 输出端子（红色箭头）。由于MOSFET具有比LDO更低的导通电阻，因此输出电压将更紧密地跟踪输入电压。

SENSE2监视输出电压。一旦输出电压低于3V（或MCU的电源范围底部），OUT2将置为低电平。该信号可将MCU置于复位模式。

图5所未为未借助绕过MOSFET的电路的行为。

<center><img src="http://www.eetrend.com/files-eetrend/technology/201708/100073443-105639…; alt="图5：未绕过MOSFET的下降输入电压"></center>
<center>图5：未绕过MOSFET的下降输入电压</center>

为了模拟电池，输入电压以1V/ms的速率下降。您可以看到，一旦输入电压达到3.4V，输出下降到3V就需要大约100ms。

现在，我们来看一下使用绕过MOSFET的电路的行为，如图6所示。

<center><img src="http://www.eetrend.com/files-eetrend/technology/201708/100073443-105640…; alt="图6：绕过MOSFET的下降输入电压"></center>
<center>图6：绕过MOSFET的下降输入电压</center>

一旦输入电压降至3.4V以下，MOSFET就会导通。输出电压现在等于输入电压减去穿过MOSFET的电压降。因此，现在，输出达到3V需要近320ms。通过增强PMOS器件，输出电压比LDO在压差中更接近跟踪输入电压。换言之，外部PMOS的低导通电阻有助于延长电池寿命。

实际上，电池电压将以较慢的转换速率下降。因此，使用旁路电路可显著延长工作时间。

<strong>电流消耗</strong>

当关闭电池时，您还必须考虑电路的电流消耗。见表1。

<center><img src="http://www.eetrend.com/files-eetrend/technology/201708/100073443-105641…; alt="表1：各种电路元件的电流消耗"></center>
<center>表1：各种电路元件的电流消耗</center>

考虑这一消耗很重要，因为它有助于电池的整体放电。然而，幸运的是，其消耗极低，且额外的电路使电池的持续使用超过了增加的电流消耗。这对于需要更高负载电流的应用尤其如此。

<strong>结论</strong>

LDO是一种有效的低电流消耗方法，用于产生电池的导轨。然而，当电池电压开始下降时，掉电可能导致调压问题。MOSFET与LDO结合使用有助于避免此问题，以达到最长的电池寿命。