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

延長和節(jié)省電池壽命對于現(xiàn)場的許多便攜式系統(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)。

通過設(shè)計(jì)，為了節(jié)省電力，這些系統(tǒng)主動在空閑和活動狀態(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)無縫轉(zhuǎn)換到活動模式。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LT3971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的說法，這些放電率對應(yīng)于最壞情況下超過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。因此，LT3971對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)脈沖會過快地對輸出電容充電。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。

無與倫比的性能

制造商表示，沒有妥協(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0.5 A負(fù)載階躍的測量響應(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)頻率可通過外部電阻在200 kHz至2 MHz之間編程。通過將外部時(shí)鐘連接到SYNC引腳，開關(guān)頻率可以快速達(dá)到2 MHz。軟啟動功能通過在啟動期間限制開關(guān)電流限制來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的說法，部件已關(guān)閉且無法切換。

簡而言之，LT3971/LT3991提供此類脈沖負(fù)載的能力對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。