Учет тока покоя при разработке источников питания

Менг Хе (Maxim Integrated)

Расцвет Интернета вещей (Internet of Things, IoT) привлек внимание к вопросу длительности работы устройств от автономного источника питания (батарейки). В типичном доме/квартире в любой момент времени может использоваться 20…60 батареек и потребители не должны постоянно быть озабочены проблемой их замены. Ключевые параметры, используемые системными разработчиками для того чтобы рассчитать время работы от батарейки, включают токи активного режима, сна и глубокого сна центрального управляющего устройства, например, микроконтроллера (MCU) и таких периферийных устройств как Bluetooth-модули и датчики.

Однако этого недостаточно. Источник питания, живое сердце устройства, обеспечивает его энергией, поступающей в каждый функциональный блок системы. Разработчики постоянно совершенствуют микроконтроллеры, датчики и различные цифровые модули, уменьшая потребляемую ими мощность. Однако, без эффективных и надежных источников питания система способна исчерпать и этот ресурс, посадив батарейку раньше ожидаемого времени.

Длительное время работы от батарейки не может быть достигнуто без детального рассмотрения особенностей разработки системы питания. Высокоэффективный источник питания – важнейшее звено для поддержания длительного времени работы от батареи. Вот почему многие узлы IoT имеют профиль энергопотребления, показанный на рисунке 1. Устройство хранится в выключенном состоянии до тех пор, пока потребитель не купит его и не начнет использовать по назначению. Основное время своего жизненного цикла устройство находится в ждущем режиме и «просыпается» лишь на короткий временной промежуток за длительное время, чтобы передать данные через Интернет-протокол.

Рис. 1. Типовой профиль энергопотребления узла IoT

Рис. 1. Типовой профиль энергопотребления узла IoT

Возьмем в качестве примера домашнюю охранную систему, которая находится в ждущем режиме большее время своего жизненного цикла и активируется лишь с началом движения пользователя. Активный ток потребления системы по определению критичен для продления времени работы от батарейки, но не в такой степени, как ток потребления каждого компонента в ждущем режиме. А что обычно вносит вклад в энергопотребление ждущего режима в системе в целом? Источники питания.

Сердце источника питания

В большинстве случаев «сердце» источника питания, находящегося в режиме ожидания – стабилизатор. Это может быть импульсный стабилизатор для повышения/понижения напряжения или линейный стабилизатор с низким падением напряжения (LDO). В более сложных случаях это ИС управления питанием (PMIC), которая обслуживает множественную архитектуру питания и даже зарядное устройство. В ждущем режиме потребление энергии определяется током покоя, который часто обозначается как IQ. В течение работы под малой нагрузкой ток покоя может внести большой вклад в эффективность передачи энергии всей системы.

Многие инженеры представляют ток покоя как ток утечки, но это упрощенное представление. Концепция становится более сложной, если мы применим ее к источникам питания.

Импульсные стабилизаторы и линейные преобразователи с малым падением напряжения (LDO)

  • Импульсный DC/DC-стабилизатор. Ток покоя – это минимальное количество тока, при котором преобразователь остается работоспособным, то есть, он не используется: нет переключения и не подключена нагрузка, но он доступен для работы. Это номинальное значение тока сразу после включения преобразователя. ИС включена и готова к работе. Ток покоя это ток установившегося режима, протекающий через микросхему, при этом весь ток покоя стекает на землю. Суммарный входной ток регулятора складывается из тока покоя (IQ) и входного тока индуктивности (I’IN), как показано на рисунке 2. IQ не меняется при подключении нагрузки, но входной ток индуктивности определяется нагрузкой и эффективностью преобразования.

Рис. 2. Ток покоя в импульсных стабилизаторах

Рис. 2. Ток покоя в импульсных стабилизаторах

Например, при небольшой нагрузке в ждущем режиме примем VIN = 12 В, VOUT = 3.3 В, ток индуктивности IIN = 60 мкА, IOUT = 200 мкA:

Это означает, что величина тока покоя обратно пропорциональна эффективности преобразования, особенно при небольшой нагрузке. Например, для преобразователя с IQ = 15 мкA эффективность, вычисленная по формуле, составляет около 73%, а для преобразователя с IQ = 30 мкА — получим снижение эффективности до 61%. Меньшая эффективность означает большую рассеиваемую мощность и меньшее время работы от батареи.

  • Линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO). В отличие от импульсного преобразователя мы можем исключить из вычисления тока покоя зависимость от рабочего цикла. Это просто разница между входным и выходным токами, как показано на рисунке 3. Как и в импульсном преобразователе, ток покоя состоит из тока собственного потребления и тока нагрузки.

Рис. 3. Ток покоя в линейных стабилизаторах с малым падением напряжения (LDO)

Рис. 3. Ток покоя в линейных стабилизаторах с малым падением напряжения (LDO)

Эффективность преобразования LDO может быть вычислена следующим образом:

Небольшой ток покоя, наряду с низким падением напряжения на стабилизаторе, необходим для увеличения эффективности преобразования. Например, линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO) MAX1725 производства Maxim Integrated имеет ток покоя 2 мкА и падение напряжения 300 мВ. Для выхода 2.5 В при токе 5 мА входное напряжение должно быть, по крайней мере, 2.8 В для регулирования. Эффективность преобразования вычисляется следующим образом:

Как ток покоя, так и падение напряжения вносят вклад в кривую эффективности и сам принцип LDO. При малом выходном токе большое значение тока покоя может значительно снизить эффективность преобразования.

Ток покоя против тока выключения

Время от времени возникают вопросы о различии между током покоя и током выключения. Ток выключения протекает, когда микросхема находится в спящем режиме и не готова к работе, в то время как ток покоя  это номинальный ток, протекающий, когда ИС «отдыхает» и готова к работе. Система находится в режиме ожидания события. Разработчики обычно используют ток покоя для вычисления рассеиваемой мощности источника питания на небольших нагрузках, а ток выключения  для вычисления времени работы батарейки, если она подключена к выключенному стабилизатору.

В качестве примера можно привести следующие стандартные ситуации: зарядное устройство не заряжает телефон, но включено в розетку; беспроводная мышь не используется, но не выключена; автомобиль припаркован, но двигатель все еще работает. Во многих питаемых от батарей приложениях аналогом описанного выше является ток, потребляемый от батареи в ждущем режиме с минимальной нагрузкой.

И ток покоя, и ток выключения важны, потому что потребители не хотят, чтобы зарядное устройство нагревалось из-за рассеяния избыточной мощности, и не желают заряжать батарейки каждую неделю.

Начните с профиля потребляемой мощности

Для проектирования устройства с максимальным временем работы от батарейки разработчики должны начать с изучения профиля потребляемой мощности конечного продукта в мельчайших деталях. Необходимо выбрать процессор и цифровые периферийные устройства с наилучшими характеристиками энергопотребления, но результат не может быть достигнут пока не выбран стабилизатор с правильными характеристиками. В маломощных приложениях никогда не следует недооценивать характеристики и условия протекания тока покоя, поскольку он может вносить наибольший вклад в общее энергопотребление системы.

Оригинал статьи.

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX17250ATD+ (MAX)
MAX1725EUK (MAX)
MAX17250ATD+T (MAX)
MAX1725EUK+ (MAX)
MAX17250ANC (MAX)
Рубрики:
Группы товаров: