Utilice LDO avanzadas para abordar los desafíos de diseño de suministro de energía de los sensores inalámbricos de IoT

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La IoT (Internet de las cosas) depende en gran parte de una red de sensores inalámbricos que controlan parámetros como la temperatura, la humedad, la presión, la vibración, la aceleración, la calidad del aire y la intensidad de la luz. Estos sensores inalámbricos utilizan tecnologías RF de corto alcance, tales como Bluetooth LE (Bluetooth de baja energía) o Zigbee, que se caracterizan por un bajo volumen y bajo intercambio de datos de ciclo de trabajo. (Consulte el artículo de la biblioteca, Comparación de tecnologías inalámbricas de baja energía).

El modelo de uso y el perfil de energía de estos dispositivos de detección inalámbricos presentan desafíos particulares para el diseñador de suministro de energía en términos de tamaño, costo, confiabilidad, estabilidad y rendimiento.

Este artículo describe la fuente de estos desafíos. Luego presenta ejemplos de las soluciones más recientes de reguladores lineales de LDO y explica por qué estos pueden ofrecer una buena base para el suministro de energía de un sensor de IoT inalámbrico. El artículo también presenta pautas para que los diseñadores se aseguren de aprovechar al máximo estas últimas soluciones a fin de aumentar la posibilidad de un diseño exitoso.

¿Regulador de conmutación o LDO?

Los sensores inalámbricos de IoT desafían a los diseñadores de suministro de energía por las siguientes razones:

  • Generalmente se alimentan de celdas de batería de poco tamaño, pero deben seguir teniendo una larga vida de batería
  • Pasan largos períodos en un modo inactivo de baja energía antes de activarse rápidamente para transmitir o recibir datos y, de nuevo, pasar rápidamente al modo inactivo
  • Por lo general integran tanto un transceptor de RF como un microcontrolador en un solo chip
  • Miden variaciones de señal pequeñas
  • Se implementan en grandes cantidades, por lo que deben ser relativamente económicos y de bajo mantenimiento

Para alimentar un sensor, el diseñador tiene tres opciones: un regulador de voltaje de conmutación, una LDO o una combinación de ambos. No es una elección sencilla, ya que cada opción tiene puntos fuertes y débiles.

Por ejemplo, los reguladores de voltaje de conmutación ofrecen una alta eficacia, por lo que son una buena opción para extender la vida de la batería. Sin embargo, son menos eficientes en cargas bajas, como cuando un sensor inalámbrico está en el modo inactivo, que se usa mucho para conservar energía. Además, los reguladores de conmutación son muy complejos, lo que aumenta el tiempo del ciclo de diseño y el costo potencial. Además, la EMI (interferencia electromagnética) causada por la operación de alta frecuencia del regulador de conmutación puede afectar un transceptor y un microcontrolador de un SoC (sistema en chip) inalámbrico sensible. Finalmente, la misma interferencia también puede afectar las variaciones de señal pequeñas del sensor, lo que restringe la precisión de las medidas.

En contraste, los reguladores lineales de LDO generan muy poca EMI y su uso es relativamente simple y económico. Sin embargo, en un rango de carga y voltaje de entrada variable, por lo general, las LDO tienen un rendimiento menor que los reguladores de conmutación. Además, solo pueden usarse en una configuración de reducción en lugar de la topología de reducción/aumento del regulador de conmutación. Esto puede limitar la capacidad accesible de la batería.

Las LDO también tienden a mostrar una respuesta transitoria moderada a cambios de carga rápidos, tales como cuando un transceptor inalámbrico se carga rápidamente desde un estado inactivo. Esto causa picos de voltaje que pueden dañar los circuitos del sensor.

Es usual combinar los dos enfoques para aprovechar la eficacia del regulador de conmutación y la estabilidad del riel de voltaje y el POL (punto de carga) sólido de las LDO. Sin embargo, este tipo de topología añade complejidad, costo y tamaño, además de desafíos de la gestión de inventario y el diseño.

En lugar de combinar ambos, los diseñadores pueden elegir usar solo la LDO, pero asegurarse que funcione de tal manera que el rendimiento satisfaga los requisitos de diseño. Dos características son esenciales, el “voltaje de caída baja” (o VDROPOUT) y el diferencial de voltaje de entrada/salida promedio.

Importancia de la caída

Con un regulador lineal tradicional, se pone en riesgo la funcionalidad una vez que la caída de voltaje de entrada/salida llega por encima del voltaje del transistor, que es aproximadamente 2 voltios. Esto limita el rendimiento.

La LDO típica reemplaza el transistor de NPN o MOSFET de tipo N utilizado como el elemento de control de la serie en un regulador lineal tradicional con un transistor PNP o MOSFET de tipo P (Figura 1). Esto altera el circuito, de manera que se convierte en una fuente de corriente en lugar de un seguidor de un emisor (fuente).

Diagrama de una LDO, el elemento de paso es un MOSFET de tipo P

Figura 1: En una LDO, el elemento de paso es un MOSFET de tipo P, que puede funcionar cerca a la saturación. Esto mejora el rendimiento al disminuir la VDROPOUT, en comparación con los reguladores lineales convencionales. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El MOSFET de tipo P puede funcionar con un nivel cercano a la saturación, lo que reduce considerablemente la diferencia mínima del voltaje de entrada/salida. Este es el “voltaje de caída baja”, o VDROPOUT, donde el dispositivo puede regular adecuadamente el voltaje de salida. Por lo general, para una buena LDO, VDROPOUT es menor a 200 mV.

La introducción de una nueva generación de LDO ofrece al diseñador un VDROPOUT incluso más bajo, para seguir mejorando el rendimiento, limitando la corriente en el modo inactivo y aumentando la capacidad accesible de la batería. Como se mencionó antes, los sensores inalámbricos permanecen mucho tiempo en modo inactivo. Esto sirve para conservar energía, pero pueden llegar a pasar hasta el 99% del tiempo en modo inactivo, así que la capacidad de baja caída para reducir el parámetro de corriente en el modo inactivo es muy importante para una vida larga de batería.

Supresión del ruido y la ondulación

Las LDO más nuevas también presentan mejores respuestas de voltaje transitorias y filtrado de ondulaciones de entrada para un suministro más estable, junto con un mejor PSRR (radio de rechazo de fuente de energía). El diseñador también puede seguir mejorando la respuesta transitoria de la LDO al aumentar el valor y disminuir la ESR (resistencia equivalente en serie) del capacitor de salida, mientras es consciente del espacio, volumen y costo.

El PSRR mide lo bien que un circuito suprime las señales externas (ruido y ondulación) en la entrada de suministro de energía. No existe una definición estándar de la industria, pero normalmente se define como la relación del cambio en el voltaje de alimentación con el voltaje de salida equivalente (diferencial) que produce (en dB [decibeles]).

El PSRR depende de la frecuencia. Una cantidad de referencia para una LDO apropiada es entre 60 y 110 dB a 1 kHz (kilohercios) (Figura 2).

El gráfico del diagrama muestra la respuesta de frecuencia del PSRR.

Figura 2: El diagrama muestra la respuesta de frecuencia para una LDO de alto rendimiento: una cantidad de referencia para una LDO apropiada es entre 60 y 110 dB a 1 kHz. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Las señales externas son mucho menos probables en una entrada de CC (corriente continua) alimentada por batería, como la que probablemente se use en un sensor inalámbrico, que en una alimentación de CA, pero igual pueden presentarse. Una LDO con un PSRR apropiado es una inversión que vale la pena para esta aplicación, ya que garantiza la estabilidad del voltaje.

Aspectos que considerar en el diseño de alimentación de energía de sensores inalámbricos

A pesar de que la nueva generación de LDO ofrece una solución prometedora para la alimentación de sensores inalámbricos, es importante entender que los dispositivos también tienen características que deben considerarse cuidadosamente durante el proceso de diseño. Por ejemplo, un regulador lineal no puede invertir una alimentación, de manera que se necesita un voltaje de entrada negativa si el circuito que se alimentará requiere un voltaje negativo.

Una segunda consideración clave para una aplicación de sensor inalámbrico —en la que la vida de la batería es muy importante— es el hecho de que las LDO solo funcionan en una configuración de reducción. Esta limitación exige que el voltaje de entrada de la batería sea mayor que el voltaje más alto requerido por los electrónicos de los sensores.

Un SoC de Bluetooth LE típico usado para detección inalámbrica, como el DA14585de Dialog Semiconductor o nRF52832 de Nordic Semiconductor requiere un voltaje de entrada mínimo de 1.5 voltios a 1.7 voltios si está alimentado por una alimentación de energía configurada en reducción.

Esto es relevante para la elección de batería inicial: una única celda de NiCad (níquel-cadmio) AA que ofrece 1.2 voltios no sería una opción. También afecta la capacidad accesible de la batería, porque es posible que una batería todavía conserve un poco de carga cuando el voltaje haya bajado a menos del mínimo requerido por el SoC inalámbrico. Se deben tener en cuenta estos factores al considerar una batería, a pesar de que una opción común para aplicaciones de sensores inalámbricos es la batería tipo botón de litio-manganeso CR2032 de Panasonic de 3 voltios, 225 mAh (miliamperios por hora). Esta celda se caracteriza por su bajo peso (2.9 gramos), características de descarga alta, voltaje estable durante la descarga y confiabilidad a largo plazo.

Limitación del voltaje de caída baja para mejorar el rendimiento de LDO

A pesar de que, por lo general, una LDO presenta un menor rendimiento que un regulador de conmutación, se vuelve más eficiente a medida que disminuye la diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida: rendimiento = VOUT/VIN. Esto se deba a que se disipa menos energía en el circuito interno de la LDO para una diferencia de voltaje más pequeña. Esto presenta la ventaja adicional de minimizar los problemas relacionados con el calor. Es posible para una LDO funcionar con un rendimiento del 95% al 99% con un diferencial de voltaje suficientemente pequeño.

Un buen enfoque de diseño es intercambiar rendimiento por capacidad accesible de batería al elegir voltajes de entrada y de salida adecuados. No tiene mucho sentido maximizar el rendimiento al disminuir la diferencia entre los voltajes de entrada y de salida si la LDO cae mientras a la batería aún le queda una cantidad de energía significativa.

Esto lleva a la siguiente pregunta: ¿Cuándo caerá la LDO? En la VDROPOUT, el elemento de paso de la LDO (el transistor PNP de un MOSFET de tipo P) actúa como un resistor del mismo valor que el RDSON (drenaje a fuente en la resistencia) del transistor. Para una corriente de carga dada (ILOAD), VDROPOUT = ILOAD × RDSON.

Para el tipo de transistor PNP o MOSFET de tipo P que se usa en las LDO actuales, el RDSON es aproximadamente igual a 1 Ω (ohm). La buena noticia es que para un sensor inalámbrico común, las corrientes de funcionamiento son razonables; de manera que la VDROPOUT es, a su vez, bastante baja. Por ejemplo, una carga de corriente promedio usual para una aplicación de sensor inalámbrico es 190 µA(microamperios). Por lo tanto, VDROPOUT = 190 µA x 1 Ω = 190 µV(microvoltios). Durante la transmisión inalámbrica de datos, la ILOAD para el SoC inalámbrico podría, por ejemplo, tener un pico de 7.5 mA (miliamperios), lo que elevaría la VDROPOUT a 7.5 mV (milivoltios). Sería más significativo, pero aun bastante baja.

Sin embargo, el diseñador debe observar que VDROPOUT es el punto en el que la LDO ya no es capaz de regular el voltaje de alimentación. Para cumplir con sus especificaciones completas, la LDO requiere generalmente “voltaje de margen de sobrecarga” adicional. Este margen de sobrecarga normalmente aumenta otros 250 a 500 mV a la VDROPOUT, pero puede ser tanto como 1.5 voltios para algunas LDO. Es una buena práctica que los proveedores registren su voltaje de margen de sobrecarga en sus hojas de datos.

Cuando el sensor inalámbrico esté en un modo de energía ultra bajo, en el que virtualmente no necesita corriente para permanecer activo, la LDO seguirá tomando un poco de corriente. Para una buena LDO, esta corriente en reposo está, por lo general, en el rango de los microamperios. Esto puede parecer insignificante, pero durante una larga duración este uso de corriente puede causar un importante impacto en la vida de la batería, en especial al considerar que un sensor inalámbrico pasa la mayor parte de su vida inactivo, hasta un 99% del tiempo, tal como se mencionó anteriormente. Este problema se multiplica cuando una instalación emplea una docena de sensores. La vida de la batería se vuelve esencial para evitar reemplazos frecuentes y costosos.

También resulta importante que una LDO que se usa en una aplicación de sensor inalámbrico ofrezca un voltaje transitorio y una respuesta de carga adecuados. Un factor clave al gestionar el presupuesto de energía de un sensor inalámbrico es garantizar que cuando el dispositivo necesite enviar o recibir datos, lo haga tan pronto como sea posible para minimizar la duración de corrientes de transmisión/recepción relativamente altas. Al estar inactivo, el SoC inalámbrico consume tan solo decenas de nanoamperios, pero al transmitir o recibir, la corriente se eleva rápidamente en dos rangos de magnitud.

Una respuesta transitoria de LDO a esto se define como la variación de voltaje de salida para un cambio de corriente de carga rápida (Figura 3).

Gráfico de respuesta de voltaje transitoria para un cambio rápido en la carga de salida

Figura 3: La respuesta de voltaje transitoria para un cambio rápido en la carga de salida es una medida esencial para el rendimiento de LDO para aplicaciones de sensores inalámbricos. Aquí se muestra la respuesta para una LDO de alto rendimiento. (Fuente de la imagen: Maxim Integrated)

La influencia más importante en la respuesta transitoria es el ancho de banda de ganancia del bucle de retroalimentación de control de las LDO. Si la transitoria de la carga es más rápida que la respuesta del bucle de compensación, puede ocurrir una sobrecresta, lo que produce EMI. Un problema clave en una aplicación de sensor inalámbrico de carga baja es que esta es una región en la que los reguladores de LDO sufren de una ganancia de bucle más baja. Algunas LDO más nuevas usan un circuito en modo de corriente baja para aumentar la ganancia de bucle bajo condiciones de carga cero o muy baja, lo que da como resultado mejores respuestas transitorias hasta no tener corriente de salida.

LDO que superan el desafío de los sensores inalámbricos

Los parámetros de funcionamiento clave para una LDO que regula el voltaje de un sensor inalámbrico son los siguientes:

  • Baja RDSON (para minimizar la VDROPOUT en todo el rango de corriente de funcionamiento)
  • Bajo voltaje de sobrecarga
  • Baja corriente de reposo
  • PSRR adecuado
  • Buena respuesta de carga transitoria
  • Buena ganancia de bucle de carga baja

Otros factores importantes son las dimensiones del paquete, la cantidad de componentes periféricos necesarios y el costo.

La LDO TPS7A10 de Texas Instruments es una buena opción para aplicaciones de sensor inalámbricas. Viene en un paquete compacto de 1.5 mm (milímetros) por 1.5 mm y presenta un rango de voltaje de entrada de 0.75 a 3.3 voltios y un rango de salida de 0.5 a 3.0 voltios. Es estable dentro del 1.5% por encima de las variaciones especificadas de temperatura, línea y carga. El rango de salida coincide perfectamente con los requisitos de voltaje de entrada de los ejemplos de Dialog Semiconductor o Nordic Semiconductor descritos anteriormente (1.5 voltios a 3.6 voltios).

Bajo condiciones de funcionamiento de sensores inalámbricos regulares, la VDROPOUT para el chip de TI está en solamente las decenas de milivoltios (70 mV) (máx.) a 300 mA [VOUT > 1.0 V]) y la sobrecarga de voltaje de la LDO es alrededor de 250 mV. La LDO puede tomar 300 mA y la corriente en reposo es de solo unos pocos microamperios. TI también sugiere usar la LDO para alimentar los voltajes núcleo más bajos de los procesadores que se usan en sensores análogos. El PSRR de la LDO es 60 dB (a 1 kHz). TI mejoró la respuesta transitoria al incorporar el circuito en modo de corriente baja que aumenta la ganancia de bucle bajo cargas muy ligeras.

Para propósitos de experimentación y para ayudar a iniciar los diseños, TI también ofrece el módulo de evaluaciónTPS7A10EVM-004. Tiene una sola LDO y facilita a los ingenieros la evaluación de la operación y el rendimiento de un TPS7A10 bajo un rango de condiciones de funcionamiento (Figura 4).

Imagen del módulo de evaluación TPS7A10EVM-004 de Texas Instruments

Figura 4: El módulo de evaluación TPS7A10EVM-004 de TI facilita a los ingenieros la evaluación de la LDO TPS7A10, a la vez que ofrece guías de diseño de especificaciones y térmico. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Maxim Integrated también ofrece una buena opción de LDO para aplicaciones de sensor inalámbrico, el MAX8636ETA+. El dispositivo viene en un paquete de 2 mm por 2 mm y funciona desde un voltaje de entrada de 2.7 a 5.5 voltios. La LDO ofrece dos entradas: una es configurable desde 2.6 a 3 voltios, y la otra es configurable desde 1.5 a 2.8 voltios. Ambas salidas pueden proporcionar hasta 300 mA. La VDROPOUT se encuentra en las decenas de milivoltios (90 mV [máx.] a 100 mA) con una carga común de SoC inalámbrica. La corriente en reposo típica se encuentra en alrededor de 54 μA con ambos LDO activos. El PSRR del MAX8636ETA es 60 dB (a 1 kHz) y tiene una sólida respuesta de carga transitoria.

Si se necesita un riel de voltaje negativo, una buena opción es la LDO de PSRR muy alto y de ruido ultra bajo LT3094 de Analog Devices. Aparte de su entrada de voltaje negativo de -1.8 a -20 voltios, sus otras características son similares a los dispositivos de TI y Maxim Integrated. Mide 3 mm por 3 mm y la salida es de hasta -19.5 voltios. La corriente de salida puede llegar a los 500 mA (máx.).

La VDROPOUT del LT3094 es 200 mV para corrientes menores a 100 mA, su corriente de reposo es 3 µA, su PSRR es 60 dB a 1 kHz, y su respuesta transitoria también es sólida. El dispositivo puede funcionar en paralelo con otra LDO de LT3094 para reducir el ruido.

Analog Devices ofrece una placa de demostración para el LT3094, la DC2624A, que representa una útil guía para el mejor diseño de circuito y BOM (lista de materiales) para minimizar el ruido y maximizar el PSRR de la LDO.

Ejemplo de implementación práctica

Las LDO de TI, Maxim y Analog Devices son buenas opciones para regulación de voltaje de un sensor inalámbrico mediante un SoC como los dispositivos de Dialog Semiconductor o Nordic Semiconductor que se describen anteriormente. Por ejemplo, considere una aplicación simple donde el SoC es el consumidor primario de energía de la batería, y la batería elegida es la CR2032 de Panasonic. El SoC inalámbrico funciona desde una entrada de voltaje de 1.5 a 3.6 voltios. La batería proporciona inicialmente una nominal de 3 voltios.

Si la salida de LDO elegida se selecciona como 2.5 voltios, se cumplirá con las especificaciones de voltaje de salida para el SoC inalámbrico. El rendimiento de la LDO cuando la batería está completamente cargada (es decir, proporcionando 3 voltios) es de 83%; luego de 1000 horas de funcionamiento a 20 ºC y una corriente de funcionamiento del sensor inalámbrico promedio de 190 µA, la batería sigue proporcionando alrededor de 2.7 voltios, y el rendimiento ha mejorado a casi el 93 %.

Al asumir una reducción lineal aproximada en la salida de voltaje durante el funcionamiento de 1000 horas, el rendimiento promedio de la LDO (con una carga de 190 µA) es de 88%. Antes de la caída, alrededor del 74% (88% de rendimiento promedio x 84% de capacidad accesible) de la energía de la batería se ha usado para alimentar de manera útil el sensor (Figura 5).

Gráfico de la batería CR2032 bajo una carga de corriente promedio de sensor inalámbrico común

Figura 5: Una batería CR2032 bajo una carga de corriente promedio de sensor inalámbrico común de 190 µA y con un funcionamiento a 20 ºC puede mantener >2.7 voltios durante 1000 horas. (Fuente de la imagen: Panasonic)

Conclusión

Debido a que se seguirán utilizando grandes cantidades de sensores de IoT habilitados de manera inalámbrica, es importante que los ingenieros de diseño consideren la mejor manera de minimizar el consumo de energía, tanto en el modo de funcionamiento como en el inactivo.

Aunque un regulador de conmutación es, por lo general, más eficiente, bajo el perfil de energía y el modo de uso de un dispositivo de detección inalámbrica, su ventaja de rendimiento en relación a una LDO se reduce rápidamente. Además, una nueva generación de LDO está acortando la diferencia entre rendimientos, a la vez que ofrece un PSRR mejorado y una respuesta transitoria de carga más rápida.

En combinación con el diseño simple, la rentabilidad, el tamaño compacto y el bajo ruido de una LDO, realmente vale la pena considerar su uso como un suministro de energía autónomo para sensores de IoT inalámbricos. Sin embargo, la clave de maximizar las ventajas de la LDO es elegir una que se adapte lo mejor posible a los requisitos de corriente y voltaje de los componentes electrónicos del sensor inalámbrico.

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