通過LDO 電壓監(jiān)控器和FET延長電池壽命

延長電池壽命是各種應(yīng)用中常見的設(shè)計要求。無論是玩具還是水表，設(shè)計師都有各式技術(shù)來提高電池壽命。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。對于在完全充電時輸出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

盡管這個電路很簡單，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間推移下降

當您記起輸入電壓接近穩(wěn)壓輸出電壓時，LDO有可進入壓差的風(fēng)險，這可能令人不安。在某一點上，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。

當輸出電流為50mA，輸出電壓為3.3V時，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可能會進入掉電。圖3提供了這類行為的一個示例。

圖3：TPS706進入掉電模式

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?？焖俚亟抵?V以下。

避免掉電

規(guī)避這個問題的一個方法是在它進行掉電之前或進入掉電時繞過LDO。圖4說明了此解決方法。

圖4：使用P-通道MOSFET來繞過LDO

在該電路中，TPS3780是雙通道電壓檢測器，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)動為低電平。這使得電流（藍色箭頭）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，一旦輸入電壓達到3.4V，輸出下降到3V就需要大約100ms。

現(xiàn)在，我們來看一下使用繞過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，輸出達到3V需要近320ms。通過增強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)通電阻有助于延長電池壽命。

實際上，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工作時間。

電流消耗

當關(guān)閉電池時，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，因為它有助于電池的整體放電。然而，幸運的是，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。這對于需要更高負載電流的應(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，當電池電壓開始下降時，掉電可能導(dǎo)致調(diào)壓問題。MOSFET與LDO結(jié)合使用有助于避免此問題，以達到最長的電池壽命。

其他信息

閱讀應(yīng)用報告，了解有關(guān)電阻分壓器電流消耗和精度折衷的更多信息。

編輯：金巧