通过LDO、电压监控器和FET延长电池寿命

Allevi

通过LDO、电压监控器和FET延长电池寿命

' R$ [/ }: Z' g% C- z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。

. r# s/ O! }0 O. }/ w, c3 @生成导轨
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，并选择生成该导轨。图1阐述了该电路。
0 ^5 k6 ~( ]3 J( Z6 P+ }
; R0 @/ s2 B4 D5 L; J

图1：从电池调压3.3V

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。
4 x1 {7 f9 k! T' ^. `8 T- {
& m8 F. z4 n, B: B) ~( _3 S掉电的含义
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。

图2：锂离子电池电压随时间推移下降

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。
2 K( C1 w5 y- v& |0 M- l当输出电流为50mA，输出电压为3.3V时，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。
- b/ t+ m3 `- d1 v  @- J

7 i6 L- T& u1 }; \9 [; {

图3：进入掉电模式

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。

避免掉电
+ _6 F3 `$ v8 G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。
% A% U3 c8 |6 g8 X: H
3 r( D- I& G+ v; I, _9 W

图4：使用P-通道MOSFET来绕过LDO

+ [$ r0 z8 e! A1 B9 F# M1 A在该电路中，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。
) B  m  o! Q2 P图5所未为未借助绕过MOSFET的电路的行为。
2 q5 P% K* L! @" G7 q& U
3 E6 b3 U- ?' x% c) k7 c/ Z

图5：未绕过MOSFET的下降输入电压

8 }# h3 v: F. a: }4 L, }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。
- f- w6 N; T; E! K+ z& b! ]0 v! Q

图6：绕过MOSFET的下降输入电压

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。
2 K% ]* n& }" V
电流消耗
; j- M: p4 K# V9 _3 w  S9 Y4 a2 d2 ]  X当关闭电池时，您还必须考虑电路的电流消耗。见表1。
( z$ E. e. \, P/ y& S# E  O

电路元件	电流（μA）
1 Z( U) u! j' B' I! t# ]( }3 C0 t	1.3 (典型值) ; p/ t& q8 E# t' z0 F( W' r6 n
	2.09 (典型值) 2 R( s9 ^9 L( T
电阻网络	3 (典型值)
上拉电阻	输出低时，为68 (典型值) ( A+ x" [. Y9 ]$ b* \( N3 H  X0 e$ y: o

+ M5 P+ e) c& l9 y

表1：各种电路元件的电流消耗

  {  V" t6 w  [/ z7 K7 c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。
" n/ o" c3 f1 z2 O+ O# S3 }
- o1 B, R/ \) i8 d结论
, S& T) l7 d* h# n8 tLDO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。
7 \% F5 q4 o+ ]% J

relchhiclty

这篇文章也太专业了吧