超低功耗電子元器件在物聯(lián)網(wǎng)（IOT）以及消費類產(chǎn)品（Consumer Products）的應用中有著廣泛的需求，對超低功耗的追求既是產(chǎn)品節(jié)能環(huán)保的需求，又是提升客戶體驗的剛需。

“低功耗”“低壓差”正如其名，是LDO器件最重要的性能指標，總能在規(guī)格書中輕易找到它們的參數(shù)（Vdropout， IQ）：

  

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低壓差(Vdropout)代表著穩(wěn)壓器的低功耗，確保向預期負載提供最大功率。對于越來越多的使用電池的便攜式設(shè)備來說，這一點尤為重要，因為對于這些設(shè)備來說，電池應該在未來的幾年內(nèi)一直為設(shè)備供電，或者在設(shè)備的使用壽命期間不可能更換電池。延長電池壽命已變得至關(guān)重要。LDO穩(wěn)壓器具有體積小、成本低、效率高等優(yōu)點，在此類應用中得到了廣泛的應用。隨著新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代LDO還具有低靜態(tài)電流、低輸入噪聲、寬輸入輸出電壓范圍等特點。有些還集成了高級保護功能。

低靜態(tài)電流(IQ)，另一個重要的參數(shù)，它表示在無負載或輕負載條件下設(shè)備的電流消耗。低靜態(tài)電流提供了兩倍的優(yōu)勢。通常，LDO需要在高負載、低負載或空載條件下連續(xù)工作，因此，器件的低靜態(tài)電流意味著在低負載或空載條件下的低功耗。此外，大多數(shù)無線和便攜式設(shè)備（如無線傳感器和物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點）都在工作周期內(nèi)工作，這意味著當負載電流降至零時，它們會在睡眠模式下花費大量時間。對于電池供電的應用，LDO的靜態(tài)電流應盡可能小，待機時消耗更少的電池電量，以保持便攜式設(shè)備的電池壽命。如下圖的典型應電路， LDO直接接在電池端子，為后面的電路提供穩(wěn)定Vout輸出。

PMOS型LDO功能框圖及典型應用電路

LDO在物聯(lián)網(wǎng)、傳感器節(jié)點和醫(yī)療設(shè)備等需要穩(wěn)定無噪聲電壓軌的微處理器、FPGA和ADC基準電壓源等領(lǐng)域有著廣泛的應用。在我們開始應用設(shè)計LDO之前，我們需了解一下LDO的工作模式。

如上面簡化的LOD電路所示，輸入電流和電壓分別為 I_IN 和V_IN ，這就給出了LDO的輸入功率：  P_IN = V_IN x I_IN  . 當設(shè)備開啟時，它將輸出電流I_OUT 和輸出電壓V_OUT 傳送到負載。因此，負載接收的輸出功率為P_Out = V_Out x I_Out。在上述簡化的LDO穩(wěn)壓器內(nèi)部電路中，我們發(fā)現(xiàn)在輸入電壓和輸出電壓之間，唯一與負載串聯(lián)的元件是這顆LDO內(nèi)部的P-MOSFET。因此，我們應該假設(shè) I_IN = I_Out

如果輸入和輸出之間沒有電壓降（V_IN-V_Out），我們就不會有功率損失，因為 P_Loss = 0 = P_IN – P_{Out  ，}但在現(xiàn)實世界中，V_IN并不等于V_Out。換句話說，我們在輸入和輸出之間有一個電壓降。在LDO的所有應用中，由于通過元件上的電壓降，無法消除功率損耗。當我們使用P型器件時，由于我們新工藝的導通電阻R_ON大大降低，電壓降可能非常小，V_dropout  = I_Out x R_{ON ；}

 

當LDO設(shè)置為關(guān)機模式時，它通過切斷負載電流停止向負載供電。在關(guān)機模式下，接收關(guān)機信號以驅(qū)動LOD調(diào)節(jié)器的內(nèi)部電路，如時鐘發(fā)生器和輸出放電。關(guān)閉模式下LDO的電流消耗稱為關(guān)閉電流。關(guān)機模式下的功率損耗為P_Loss = I_Shdn x V_IN

 

除上述兩種模式外，當LDO啟用但沒有負載電流提供給負載時，LDO也可以在待機模式下工作。這種模式下的電流消耗稱為靜態(tài)電流。在待機模式下，LDO穩(wěn)壓器仍然需要通過引入少量電流（靜態(tài)電流）來調(diào)節(jié)輸出電壓，以激活內(nèi)部電路。此模式下的功率損耗為P_Loss = I_Q x V_IN

在了解LDO的工作模式之后，我們可以找到LDO在物聯(lián)網(wǎng)應用中的最佳用途。物聯(lián)網(wǎng)應用程序通常以不連續(xù)的方式工作，指定上下班循環(huán)。在許多應用中，設(shè)計者可能不想在等待期間關(guān)閉設(shè)備。相反，該設(shè)備可以切換到睡眠模式，以節(jié)省電力，并在需要時被喚醒。在休眠模式下，LDO不工作，但以零負載電流維持輸出電壓調(diào)節(jié)。唯一的電流消耗是保持內(nèi)部電路激活所需的靜態(tài)電流。對于許多物聯(lián)網(wǎng)應用，等待期或睡眠模式可能占90%的時間，這意味著我們可以節(jié)省90%或更多的電力，如果我們簡單地關(guān)閉設(shè)備在這段時間。如上所述，設(shè)備在睡眠模式下的電流消耗是靜態(tài)電流。由于靜態(tài)電流在90%以上的時間內(nèi)是唯一的電流消耗，它對電池壽命的影響成為影響器件性能的主要因素。即使靜態(tài)電流很小，長期的影響是耗盡電池在一個大大降低率相比，滿載電流。

這里，我們以WPMtek的WL9005 LDO為例。假設(shè)輸入電壓V_IN為5V，負載電流為100mA時輸出電壓V_Out為3.3V，空載靜態(tài)電流IQ為0.3uA，關(guān)斷電流I_Shdn為0.1uA。

WL9005在100mA下啟動為負載供電時的功率損耗為：

P_Loss = V_dropout x I_Load = (5 – 3.3) x 100mA = 170mW

 

如果WL9005一直打開，功耗將保持在170mW。對于使用電池作為主要電源的設(shè)備來說，這種功耗是相當大的。如果我們在不需要的時候關(guān)閉設(shè)備，我們可以將電流降到靜態(tài)電流0.3uA。

P_Loss = V_IN x I_Q = 5V x 0.3uA = 1.5uW

 

兩種功耗之比為113333倍！可以看到通過切斷不必要的電力損耗而產(chǎn)生多大功耗差異。由于我們已經(jīng)證明靜態(tài)電流對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功耗影響最大，因此我們必須了解，選擇具有更低靜態(tài)電流的LDO可以進一步降低功耗。

如果我們進一步關(guān)閉LDO，我們可以將電流消耗降低到0.1uA，功率損耗為P_Loss = V_IN x I_Shdn = 5V x 0.1uA = 0.5uW,但請記住，完全關(guān)閉LDO可能是不可行的，設(shè)備的長開啟響應可能會顯著影響某些應用程序的性能。

 

超低電壓降的顯著優(yōu)點包括低散熱、良好的線路調(diào)節(jié)、良好的負載調(diào)節(jié)和低紋波，這些都是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對電源的要求。LDO穩(wěn)壓器由PNP BJT或PMOS組成。由于P型器件的飽和電壓較低，LDO的電壓降可以低至100 mv。真正做到超低功耗。

維攀微（WPMtek）把靜態(tài)功耗做到了極致的超低壓差(Vdropout=100mV@100mA)，極致的超低靜態(tài)電流(IQ=0.3 uA)，從而給可穿戴設(shè)備，消費類產(chǎn)品，IOT產(chǎn)品等帶來了更省電更好的客戶體驗。維攀微在高壓/低壓系列LDO 產(chǎn)品線做了齊全的覆蓋，LDO的選型變得方便袖手。