采用低靜態(tài)電流降壓轉(zhuǎn)換器延長(zhǎng)和節(jié)省電池壽命

延長(zhǎng)和節(jié)省電池壽命對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的許多便攜式系統(tǒng)至關(guān)重要，例如遠(yuǎn)程傳感器，因?yàn)榈碗姵仉娏靠赡芤馕吨鴣G失有價(jià)值的傳感器數(shù)據(jù)。更重要的是，由于電池供電設(shè)備的位置，在許多應(yīng)用中更換電池可能不實(shí)用或成本有效。因此，在這些系統(tǒng)中將電池輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需電平的電壓調(diào)節(jié)器本身必須消耗超低功率，尤其是在系統(tǒng)處于空閑或待機(jī)狀態(tài)時(shí)。

通過(guò)設(shè)計(jì)，為了節(jié)省電力，這些系統(tǒng)主動(dòng)在空閑和活動(dòng)狀態(tài)之間切換。實(shí)際上，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大部分時(shí)間都處于低功耗空閑狀態(tài)，但需要突發(fā)高功率來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。這些類型的應(yīng)用在空閑狀態(tài)下需要最小的電流消耗以最大化電池壽命，并且在被呼叫以提供幾瓦功率時(shí)無(wú)縫轉(zhuǎn)換到活動(dòng)模式。那么，在這種系統(tǒng)中使用的電壓調(diào)節(jié)器也必須能夠做到這一點(diǎn)。除了在低電流空閑狀態(tài)期間保持良好調(diào)節(jié)的輸出電壓，這些調(diào)節(jié)器應(yīng)能夠快速自動(dòng)地適應(yīng)不斷變化的負(fù)載條件。此外，它們必須為保持活動(dòng)功能提供必要的電壓。

考慮到這些因素，凌力爾特公司發(fā)布了名為L(zhǎng)T3971和LT3991的超低靜態(tài)電流單片式降壓穩(wěn)壓器。在高負(fù)載和輕負(fù)載條件下提供高性能時(shí)，在輕負(fù)載情況下，它們僅消耗1.7μA的靜態(tài)電流。但是，這些調(diào)節(jié)器在需要時(shí)可以提供高達(dá)1.2 A的電流。唯一的區(qū)別在于輸入電壓范圍。 LT3971的額定輸入電壓范圍為4.3至38 V，LT3991的輸入范圍更寬，為4.3至55 V.

超低靜態(tài)電流

根據(jù)凌力爾特公司設(shè)計(jì)特性中的討論標(biāo)題為“ 1.2降壓轉(zhuǎn)換器在調(diào)節(jié)零負(fù)載時(shí)僅消耗2.8μA，接受38 VIN或55 VIN“由John Gardner提供，1當(dāng)輸出負(fù)載較低時(shí)，LT3971/LT3991降低開關(guān)頻率，僅在需要時(shí)為輸出供電。在電流脈沖之間，器件的大部分內(nèi)部電路被關(guān)閉，以將靜態(tài)電流降至僅1.7μA。即使沒(méi)有負(fù)載電流，反饋電阻和肖特基鉗位二極管的泄漏也可以作為幾微安的負(fù)載電流，從而增加了應(yīng)用電路的靜態(tài)電流。通過(guò)使用幾兆歐的反饋分壓器電阻和具有低泄漏的肖特基鉗位二極管（Diodes Inc.的DFLS240）（圖1），在無(wú)負(fù)載12 V時(shí)調(diào)節(jié)3.3 V輸出時(shí)僅消耗2.8μA輸入電流輸入。設(shè)計(jì)文章表明，在無(wú)負(fù)載調(diào)節(jié)3.3 V輸出時(shí)，圖1中的應(yīng)用電路能夠在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)低輸入電流（圖2）。

圖1：在12 V輸入無(wú)負(fù)載的情況下調(diào)節(jié)3.3 V輸出時(shí)，LT3971僅消耗2.8μA的輸入電流。

圖2：圖1中基于LT3971的電路在無(wú)負(fù)載調(diào)節(jié)3.3 V輸出時(shí)，在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低輸入電流。

根據(jù)制造商的說(shuō)法，LT3971/LT3991的靜態(tài)電流非常低，即使與電池的自放電相比也是如此。眾所周知，可充電電池具有顯著的自放電功能;鎳鎘（NiCd）電池在一個(gè)月內(nèi)可能會(huì)損失大約15％到20％的電量。凌力爾特公司的文章指出鎳氫（NiMH）電池可能更糟，“低自放電”鎳氫電池每年損失約15％至30％的電量。同樣，鉛酸電池每月放電幾個(gè)百分點(diǎn)，鋰二次電池的放電速度只有一半。

根據(jù)Linear的John Gardner的說(shuō)法，這些放電率對(duì)應(yīng)于最壞情況下超過(guò)100μA的自放電和最佳情況下的數(shù)十微安。加德納表示，原電池的自放電率要低得多。因此，堿性和鋰原色可能需要5到15年才能減少20％的電量。根據(jù)加德納的解釋，這僅相當(dāng)于幾微安的自放電電流。相比之下，LT3971的靜態(tài)電流比可充電電池的自放電低一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，LT3971對(duì)電池壽命的影響非常小。然而，原電池的自放電與LT3971的靜態(tài)電流相當(dāng)。 Gardner指出，在這種情況下，電池的排水速度只有它只是坐在架子上的兩倍。

關(guān)于輸出電壓紋波，LT3971/LT3991數(shù)據(jù)表顯示，這些器件在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供的電壓小于15 mVPP。在輕負(fù)載情況下，調(diào)節(jié)器進(jìn)入突發(fā)模式操作，當(dāng)部件檢測(cè)到輸出電壓低于調(diào)節(jié)值時(shí)，單電流脈沖用于為輸出電容充電。單脈沖操作對(duì)于控制輸出電壓紋波至關(guān)重要，因?yàn)楦鶕?jù)凌力爾特設(shè)計(jì)文章中的解釋，多個(gè)脈沖會(huì)過(guò)快地對(duì)輸出電容充電。每個(gè)電流脈沖的峰值設(shè)置為約330 mA，在突發(fā)模式操作負(fù)載范圍內(nèi)產(chǎn)生一致的紋波性能。圖3中的開關(guān)波形顯示了10 mA負(fù)載的紋波性能。

圖3：對(duì)于10 mA負(fù)載電流下的3.3 V輸出，輸出電壓紋波低于15 mVPP，輸出電容為22μF。

無(wú)與倫比的性能

制造商表示，沒(méi)有妥協(xié)實(shí)現(xiàn)LT3971/LT3991的低靜態(tài)電流。此外，該器件具有良好的瞬態(tài)性能和完整的功能集。具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)姆逯惦娏髂Ｊ娇刂品桨冈谪?fù)載和溫度范圍內(nèi)保持良好的穩(wěn)定性。但是，為了實(shí)現(xiàn)這一性能，Linear建議在輸出和FB引腳之間使用10 pF相位超前電容。從0.5 A負(fù)載和25 mA負(fù)載開始，對(duì)0.5 A負(fù)載階躍的測(cè)量響應(yīng)如圖4所示。如圖所示，調(diào)節(jié)器在突發(fā)模式操作和完全開關(guān)頻率之間顯示平滑過(guò)渡。

圖4：LT3971的瞬態(tài)響應(yīng)描述了25至525 mA負(fù)載階躍和0.5 A至1 A負(fù)載階躍。如圖所示，突發(fā)模式和全頻操作之間的轉(zhuǎn)換是平滑的。

LT3971/LT3991的開關(guān)頻率可通過(guò)外部電阻在200 kHz至2 MHz之間編程。通過(guò)將外部時(shí)鐘連接到SYNC引腳，開關(guān)頻率可以快速達(dá)到2 MHz。軟啟動(dòng)功能通過(guò)在啟動(dòng)期間限制開關(guān)電流限制來(lái)限制器件的浪涌電流。當(dāng)使能引腳為低電平時(shí)，SS引腳被主動(dòng)下拉。

由于LT3971/LT3991的靜態(tài)電流在關(guān)斷模式下非常低，因此內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)仍然可以工作，僅消耗700 nA的輸入電流。當(dāng)VIN高于4.3 V時(shí)，此功能允許穩(wěn)壓器提供1 V使能引腳閾值。因此，當(dāng)使能引腳高于1 V時(shí)，器件使能并可以切換，當(dāng)使能引腳低于1 V時(shí)，根據(jù)Linear的說(shuō)法，部件已關(guān)閉且無(wú)法切換。

簡(jiǎn)而言之，LT3971/LT3991提供此類脈沖負(fù)載的能力對(duì)于滿足低占空比傳感器和能量收集應(yīng)用的需求非常重要，這些應(yīng)用可以利用超低靜態(tài) - 電流性能和1.2 A單片式降壓穩(wěn)壓器LT3971和LT3991的最大負(fù)載。