延長(zhǎng)電池壽命是各種應(yīng)用中常見的設(shè)計(jì)要求。無(wú)論是玩具還是水表，設(shè)計(jì)師都有各式技術(shù)來(lái)提高電池壽命。在這篇博文中，我將闡述一種可策略性地繞過低掉電線性穩(wěn)壓器（LDO）的技術(shù)。
生成導(dǎo)軌
使用LDO是從電池產(chǎn)生調(diào)節(jié)電壓的常用方式。對(duì)于在完全充電時(shí)輸出4.2V的單節(jié)鋰離子（Li-ion）電池尤其如此。
假設(shè)您要為電源電壓范圍在3V至3.6V之間的微控制器（MCU）生成3.3V，并選擇TPS706生成該導(dǎo)軌。圖1闡述了該電路。
圖1：TPS706從電池調(diào)壓3.3V
盡管這個(gè)電路很簡(jiǎn)單，但它有一些限制。其中首要限制因素是掉電，這將導(dǎo)致LDO停止調(diào)壓，并可能使MCU的供電電壓超出規(guī)定范圍。
掉電的含義
隨著電池放電，鋰離子電池的電壓下降。圖2所示為放電曲線的示例。
圖2：鋰離子電池電壓隨時(shí)間推移下降
當(dāng)您記起輸入電壓接近穩(wěn)壓輸出電壓時(shí)，LDO有可進(jìn)入壓差的風(fēng)險(xiǎn)，這可能令人不安。在某一點(diǎn)上，電池電壓將下降到很低電平，使得TPS706將不再能夠調(diào)壓3.3V。相反，輸出電壓將開始跟蹤等于壓差電壓的差值的電池電壓。
當(dāng)輸出電流為50mA，輸出電壓為3.3V時(shí)，TPS706規(guī)定了典型的壓差為295mV的電壓。因此，一旦電池電壓降至3.6V以下，LDO可能會(huì)進(jìn)入掉電。圖3提供了這類行為的一個(gè)示例。
圖3：TPS706進(jìn)入掉電模式
如圖所示，一旦VIN下降到3.6V左右，VOUT開始下降。由于MCU供電范圍的下限為3V，這令人不安 —— 掉電可能導(dǎo)致VOUT非常快速地降至3V以下。
避免掉電
規(guī)避這個(gè)問題的一個(gè)方法是在它進(jìn)行掉電之前或進(jìn)入掉電時(shí)繞過LDO。圖4說明了此解決方法。
圖4：使用P-通道MOSFET來(lái)繞過LDO
在該電路中，TPS3780是雙通道電壓檢測(cè)器，通過SENSE1監(jiān)視電池電壓。如果電池電壓應(yīng)低于3.4V，則OUT1將P-通道MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)為低電平。這使得電流（藍(lán)色箭頭）流經(jīng)MOSFET的漏極 - 源極端子，而不是流經(jīng)LDO的輸入 - 輸出端子（紅色箭頭）。由于MOSFET具有比LDO更低的導(dǎo)通電阻，因此輸出電壓將更緊密地跟蹤輸入電壓。
SENSE2監(jiān)視輸出電壓。一旦輸出電壓低于3V（或MCU的電源范圍底部），OUT2將置為低電平。該信號(hào)可將MCU置于復(fù)位模式。
圖5所未為未借助繞過MOSFET的電路的行為。
圖5：未繞過MOSFET的下降輸入電壓
為了模擬電池，輸入電壓以1V/ms的速率下降。您可以看到，一旦輸入電壓達(dá)到3.4V，輸出下降到3V就需要大約100ms。
現(xiàn)在，我們來(lái)看一下使用繞過MOSFET的電路的行為，如圖6所示。
圖6：繞過MOSFET的下降輸入電壓
一旦輸入電壓降至3.4V以下，MOSFET就會(huì)導(dǎo)通。輸出電壓現(xiàn)在等于輸入電壓減去穿過MOSFET的電壓降。因此，現(xiàn)在，輸出達(dá)到3V需要近320ms。通過增強(qiáng)PMOS器件，輸出電壓比LDO在壓差中更接近跟蹤輸入電壓。換言之，外部PMOS的低導(dǎo)通電阻有助于延長(zhǎng)電池壽命。
實(shí)際上，電池電壓將以較慢的轉(zhuǎn)換速率下降。因此，使用旁路電路可顯著延長(zhǎng)工作時(shí)間。
電流消耗
當(dāng)關(guān)閉電池時(shí)，您還必須考慮電路的電流消耗。見表1。
表1：各種電路元件的電流消耗
考慮這一消耗很重要，因?yàn)樗兄陔姵氐恼w放電。然而，幸運(yùn)的是，其消耗極低，且額外的電路使電池的持續(xù)使用超過了增加的電流消耗。這對(duì)于需要更高負(fù)載電流的應(yīng)用尤其如此。
結(jié)論
LDO是一種有效的低電流消耗方法，用于產(chǎn)生電池的導(dǎo)軌。然而，當(dāng)電池電壓開始下降時(shí)，掉電可能導(dǎo)致調(diào)壓?jiǎn)栴}。MOSFET與LDO結(jié)合使用有助于避免此問題，以達(dá)到最長(zhǎng)的電池壽命。 |
