Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Podstawy LDO - co to jest prąd spoczynkowy?

ghost666 22 Sty 2019 14:33 2427 8
  • Podstawy LDO - co to jest prąd spoczynkowy?


    Sytuacja, gdy podnosimy dawno nieużywane urządzenie elektroniczne tylko po to, żeby dowiedzieć się, że jego akumulator czy bateria są niemalże zupełnie rozładowane, są niesamowicie frustrujące. Zdarza się to nawet, jeżeli system był w stanie uśpienia bądź stand-by. Winny temu jest prąd spoczynkowy.

    Czym jest prąd spoczynkowy

    Spoczynek definiowany jest jako “okres nieaktywności bądź uśpienia”. Prąd spoczynkowy zatem – Iq – to prąd, jaki urządzenie pobiera w momencie, gdy nie jest aktywne lub jest w stanie stand-by. Prąd ten czasami bywa mylony z prądem wyłączenia – pobieranym w momencie, gdy urządzenie jest w pełni wyłączone, ale bateria nadal podłączona jest do systemu.

    Oczywiście oba parametry są niezwykle kluczowe dla przenośnych urządzeń zasilanych bateryjnie. W tym artykule skupimy się jednak tylko na prądzie spoczynkowym.

    Pobór prądu w stanie spoczynku dotyczy niemalże każdego układu elektronicznego, ale największą rolę w układzie grają zazwyczaj wzmacniacze operacyjne, przetwornice typu boost oraz buck i liniowe stabilizatory napięcia o niskim minimalnym spadku napięcia (LDO). W poniższym artykule skupimy się na tych ostatnich elementach z uwagi na ich prostą budowę i to, jak łatwo jest w ich przypadku wyliczyć zużycie mocy.

    Straty mocy na stabilizatorze LDO w czasie jego pracy opisuje równanie 1:

    $$P_D = (V_{in} - V_{out}) \times I{out} + (V_{in} \times I_q)$$ (1)

    gdzie Vin i Vout to, odpowiednio, napięcie wejściowe i wyjściowe LDO; Iout to prąd, jaki pobierany jest z LDO, a Iq to prąd spoczynkowy, jaki pobiera sam stabilizator.

    Na przykład, gdy chcemy przy napięciu 4,2 V stabilizować 1,8 V i pobierać z LDO prąd wynoszący 200 mA przy prądzie spoczynkowym wynoszącym 0,05 mA, to po podstawieniu tych danych do równania 1 otrzymujemy następującą moc strat:

    $$P_D = (4,2 - 1,8) \times 0,2 + (4,2 \times 0,00005)$$

    $$P_D = 480,21 mW$$

    W momencie, gdy przełączymy urządzenie do trybu stand-by, obciążenie znacznie spadnie – załóżmy wartość 100 mikroamperów. W takiej sytuacji prąd spoczynkowy LDO będzie grał istotnie większą rolę, a całkowita moc strat wyniesie:

    $$P_D = (4,2 - 1,8) \times 0,0001 + (4,2 \times 0,00005)$$

    $$P_D = 0,45 mW$$

    W tym przypadku prąd spoczynkowy odpowiada za niemalże 50% traconej na stabilizatorze mocy, gdy urządzenie jest w trybie stand-by.

    Można by pomyśleć: “ale ta tracona moc wcale nie jest duża”. Oczywiście, jest to prawda, co nie zmienia faktu, że dla urządzeń, które spędzają dużo czasu w trybie uśpienia, prąd Iq i związane z nim straty są nie bez znaczenia. Przykładami takich urządzeń mogą być smartwatche czy opaski fitnessowe czy nawet niektóre moduły telefonu komórkowego. Wiele z tych urządzeń spędza większość swojego czasu pracy w jakiegoś rodzaju stanie uśpienia. Na przykład opaski fitness, które gaszą wyświetlacze na większość czasu – ten stan reprezentuje pewien stan uśpienia, przy którym obciążenie baterii nie jest wielkie, a prąd spoczynkowy gra istotną rolę w całkowitym zużyciu prądu przez układ. To z kolei jest bezpośrednio związane z czasem pracy urządzenia na w pełni naładowanym akumulatorze.





    Ograniczenie przestrzeni i czas pracy na baterii.

    Obecny trend w elektronice nakazuje konstruowanie coraz mniejszych i lżejszych urządzeń elektronicznych. W sytuacji tej inżynierowie stoją przed ogromnym wyzwaniem – konieczne jest zmniejszanie urządzeń przy zachowaniu czasu pracy na baterii na co najmniej takim samym poziomie jak dotychczas. W większości urządzeń bateria jest największym i najcięższym elementem urządzenia przenośnego, jednakże projektanci nie chcą zmniejszać jej rozmiarów, gdyż te są bezpośrednio związane z jej pojemnością i w konsekwencji z czasem pracy układu pomiędzy ładowaniami. Dlatego też konieczne jest miniaturyzowanie wszystkich innych elementów, także stabilizatorów LDO.

    Czy miniaturyzacja LDO powinna martwić? Czy wybierając mniejszy układ nie jesteśmy skazywani na gorsze parametry? Mówiąc w skrócie: nie.

    Firmy produkujące stabilizatory LDO, takie jak np. Texas Instruments, mają w swojej ofercie miniaturowe elementy tego rodzaju o bardzo dobrych parametrach elektrycznych i termicznych. Większość tych elementów nie pracuje z dużymi prądami, więc niska rezystancja termiczna nie jest kluczowym aspektem doboru LDO.

    Texas Instruments oferuje szeroką gamę stabilizatorów liniowych LDO o miniaturowych obudowach. Przykładami mogą być np. TPS7A05, dostępny w miniaturowej obudowie WL-CSP o rozmiarach 0,65 mm x 0,65 mm i rastrze wyprowadzeń równym 0,35 mm. Układ ten jest także dostępny w nieco większej – 1 mm x 1 mm – obudowie QFN. Prąd spoczynkowy tego układu należy do jednych z najniższych w tej klasie elementów – typowo wartość ta równa się 1 mikroamperowi.

    Uruchom swój sukces

    Alternatywnym rozwiązaniem powyższego problem, jest wykorzystanie pinu enable bądź shutdown, jaki występuje w większości stabilizatorów LDO. Wiele urządzeń przenośnych korzysta z takiego rozwiązania, aby zmniejszyć zużycie prądu z wbudowanej baterii.

    Nie tylko opaski czy smartwatche muszą i mogą oszczędzać energię elektryczną. Nawet drony, które przez większość czasu nie są w trybie stand-by mogą wykorzystywać wejścia enable stabilizatorów, aby wyłączać te sekcje urządzenia, które nie są wykorzystywane cały czas podczas lotu. Mogą to być na przykład moduły związane z sensorem obrazu CMOS lub jego gimbalem/stabilizatorem, jak pokazano na rysunku 1. Te moduły wykorzystywane są jedynie, gdy wykonywane zdjęcia, więc nie jest potrzebne ciągłe zasilanie tego subsystemu.

    Prąd, jaki pobiera wyłączony stabilizator LDO, to około kilkaset nanoamperów – jest to wartość istotnie mniejsza niż prąd spoczynkowy Iq, więc pozwala na wydłużenie czasu pracy urządzenia pomiędzy ładowaniami akumulatora. W przypadku drona przełoży się to na zwiększenie czasu lotu pojazdu.

    Stabilizatory LDO doskonale nadają się do zasilania sensorów CMOS i stabilizatorów obrazu z jeszcze jednego powodu – są one bardzo podatne na szum w napięciu zasilania, a stabilizatory liniowe znane są m.in. z tego, że ich napięcie wyjściowe zawiera w sobie bardzo niewiele szumu – jego poziom będzie miał bezpośredni wpływ na jakość zdjęć, jakie wykonywać będzie aparat wbudowany w drona.

    Taki sam schemat pasuje do np. opis aparatu fotograficznego wbudowanego w smartfona, który także musi oszczędzać energię, aby możliwie długo działał. No i tutaj także, jako że zależy nam na jakości zdjęć, niski poziom szumów w zasilaniu jest wysoce pożądany.

    Podstawy LDO - co to jest prąd spoczynkowy?
    Rys.1. Uproszczony diagram blokowy system zasilania drona.


    Podsumowanie

    Jakkolwiek czas pracy układu na baterii jest w dużym stopniu zależny od poboru prądu przez układ, to prąd spoczynkowy zastosowanych w układzie stabilizatorów LDO nie jest bez znaczenia, szczególnie jeżeli mówimy o urządzeniach, które dużą część czasu spędzają w stanie uśpienia czy stand-by.

    Dotyczy to nie tylko urządzeń konsumenckich – takie same zasady projektowania dotyczą także urządzeń automatyki przemysłowej czy budynkowej.

    Pamiętajmy zatem o prądzie spoczynkowym naszych stabilizatorów – warto uwzględnić go podczas projektowania, zwłaszcza urządzeń bateryjnych. Pamiętajmy także o wejściu enable / shutdown stabilizatorów LDO – pozwala to na redukcję prądu pobieranego przez wyłączone sekcje nawet o kilka rzędów wielkości.

    Źródła:
    https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/06/20/ldo-basics-quiescent-current-101
    http://www.ti.com/lit/an/slva072/slva072.pdf


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Sklep HeluKabel
  • #2 22 Sty 2019 21:07
    euwuar
    Poziom 2  

    Czy w równaniu nr. 1 "Vin-Vout" nie powinno być przypadkiem w nawiasie?

  • Sklep HeluKabel
  • #3 22 Sty 2019 22:59
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    euwuar napisał:
    Czy w równaniu nr. 1 "Vin-Vout" nie powinno być przypadkiem w nawiasie?


    Powinno - poprawione, interpreter TeXa coś namieszał.

  • #4 23 Sty 2019 09:58
    szeryf3
    Poziom 16  

    Dziękuję za poruszenie pomijanej tematyki w naszym codziennym życiu, oraz za poszerzenie mojej znikomej wiedzy.

  • #5 23 Sty 2019 14:42
    Grzegorz_madera
    Poziom 31  

    ghost666 napisał:
    Przykładami takich urządzeń mogą być smartwatche czy opaski fitnessowe czy nawet niektóre moduły telefonu komórkowego.

    Trochę nietrafiony przykład. O ile telefon komórkowy powinien faktycznie pobierać jak najmniejszy prąd, aby maksymalnie wydłużyć czas pracy, o tyle dwa pierwsze wymienione wynalazki niczemu nie służą i nieistotne jest, jak długo będą działać. Jak się rozładują, to trzeba naładować i tyle. Nie ma sensu bić się w nich o pojedyncze µA.

  • #6 23 Sty 2019 17:42
    euwuar
    Poziom 2  

    Niestety nie mogę się zgodzić, użytkownik chce kupić produkt, który jest jak najlepszy. To oznacza również, że chce go jak najrzadziej ładować. Z czysto komercyjnego punktu widzenia ma to znaczenie. Z punktu widzenia inżynierskiego również. Wolniejsze rozładowywanie oznacza mniejszą ilość cykli ładowania akumulatora, a więc i dłuższy czas jego życia.

  • #8 23 Sty 2019 18:28
    vodiczka
    Poziom 43  

    Grzegorz_madera napisał:
    A w przypadku czegoś co nic nie robi i niczemu nie służy jest to bez znaczenia.
    To, że nie służy Tobie, nie oznacza że niczego nie robi. Raczej nikt nie kupi urządzenia z którego nie ma pożytku :) Ja jeżeli kupuję urządzenie wymagające okresowego ładowania to ma dla mnie znaczenie jak często muszę je ładować, obojętne do czego mi służy.

  • #9 23 Sty 2019 21:38
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Grzegorz_madera napisał:
    ghost666 napisał:
    Przykładami takich urządzeń mogą być smartwatche czy opaski fitnessowe czy nawet niektóre moduły telefonu komórkowego.

    Trochę nietrafiony przykład. O ile telefon komórkowy powinien faktycznie pobierać jak najmniejszy prąd aby maksymalnie wydłużyć czas pracy, o tyle dwa pierwsze wymienione wynalazki niczemu nie służą i nieistotne jest jak długo będą działać. Jak się rozładują to trzeba naładować i tyle. Nie ma sensu bić się w nich o pojedyncze µA.


    To, że Ty nie widzisz żadnego zastosowania dla tych urządzeń, to nie znaczy, że one go nie mają....