通过LDO、电压监控器和FET延长电池寿命

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通过LDO、电压监控器和FET延长电池寿命

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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。

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。
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图1：从电池调压3.3V

# C6 b2 A* l" D( a1 d) j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。
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% l3 l5 f+ T1 c( @$ R3 Y4 u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。
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图2：锂离子电池电压随时间推移下降

& X  s* ?" l( j; g  N' b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。
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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。

; ?$ t5 a- a5 {" X& t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。
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图4：使用P-通道MOSFET来绕过LDO

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。
. D2 y& @) U: X9 o! \$ P7 k3 C图5所未为未借助绕过MOSFET的电路的行为。

图5：未绕过MOSFET的下降输入电压

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。
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图6：绕过MOSFET的下降输入电压

5 N9 @8 u$ j) B5 T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。
5 y6 u4 A; Q/ b+ h" b3 _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。
7 P, G* O7 H2 o/ p& n9 c
* Q, o% g0 M% q电流消耗
) R9 ?  z8 p* r1 {; T, p, b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）
	1.3 (典型值)
% X  |0 k0 d" Y	2.09 (典型值)
电阻网络 ; b$ n' `1 ]2 j	3 (典型值) 7 M8 ^. X0 B: D7 G( n( w! J
上拉电阻 3 H! A, E: H! V1 s* K! }	输出低时，为68 (典型值) 5 i8 h6 M! _0 t) {, S

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表1：各种电路元件的电流消耗

3 \, \; P% u( p5 f6 w' a$ ~( g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。
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1 r' i1 |  [" 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。
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这篇文章也太专业了吧