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

$ Z8 t' v0 {* _
/ x* X. ?: W4 y7 c% T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。
# f' Z7 ~; e" t: u  R* }4 `& Y$ \
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。

图1：从电池调压3.3V

0 F  ~' D# _2 c, S  `* s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。
6 w7 j7 b& M7 X- S/ C  ]
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

" Y8 s0 T! x, Z' Z+ a- i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。
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。

  x. \7 f* q  ]; X

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
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。

图4：使用P-通道MOSFET来绕过LDO

" i; X& \2 Q* S6 b% R/ B2 I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/ W* s. H3 O1 o! S0 k) k# @$ T图5所未为未借助绕过MOSFET的电路的行为。
( S! ]0 ^+ O* ?3 l' v! k' V

图5：未绕过MOSFET的下降输入电压

* D+ O8 ^' \: a1 p& i( y+ l6 f1 W  R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。

' D8 J3 l+ e: M# r8 C. ?

图6：绕过MOSFET的下降输入电压

6 p4 ]. o+ R4 z# F, a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。

. S7 f& n* b) D电流消耗
+ d1 U) ~7 p" v& K0 i当关闭电池时，您还必须考虑电路的电流消耗。见表1。

电路元件	电流（μA） 8 V+ h, I$ R2 R: E7 x; G
9 g. o: e% M+ }0 _: |; H	1.3 (典型值) 7 [& a' z- }: \6 i1 j7 x
6 {0 z9 {+ a# V) c	2.09 (典型值) 5 [$ ~1 Z2 F8 i9 `
电阻网络 ' _0 i8 e* g/ \& s. O; x4 m( p7 q	3 (典型值) 5 c  N( H/ X/ ]3 z
上拉电阻	输出低时，为68 (典型值)

+ c+ G2 M* t7 M$ g- Z5 m7 n' e

表1：各种电路元件的电流消耗

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。
: w5 c9 t$ S+ i/ j+ X
- f8 d' y0 C7 d. \6 m结论
LDO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。
. J, y2 z/ T. i- J% U; k! f" T

relchhiclty

这篇文章也太专业了吧