【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計—PART 8

作者:Bird

上一篇文章【Maker 電子學】漫談電源系統的原理與設計 — PART 7,我們以 LM1117 爲例子,說明了在選用一顆線性穩壓 IC 時需注意的設計參數,並以 USB 供電爲例子,介紹了功耗、壓差、電壓設定等計算,以及輸出電容的選擇。

這回我們要以電池爲電源,繼續介紹線性穩壓 IC 在設計上應注意的參數與事項。

以電池爲電源

上一回我們舉的例子,是用傳統 USB 的 VBUS 爲電源,產生一個 3.3 V 的電壓來供應 ESP8266 的 ESP-12E Wi-Fi 模組。如果我們要以電池來供電,這個電源電路該怎麼設計呢?

(圖片來源:Bird 提供)

ESP-12E 模組的電源規格與耗電,我們上次提過了,它可以接受的電源電壓是 3.0 V – 3.6 V,建議值是 3.3 V,最大電流則可以用 200 mA 來估算。

我們在 2019 年的文章【Maker電子學】可充電式鋰電池的原理與應用中,有聊過小型鋰離子電池的特性:充飽時端電壓約 4.1 V 或 4.2 V,隨著放電的過程,端電壓會逐漸下降,大概降到 3.3 V 以下就算是沒電了,不要再榨它。

鋰電池的端電壓會變動,而且在電量較高時的電壓可能會超過 ESP-12E 可以容許的範圍,因此我們需要用線性穩壓 IC 來產生穩定的 3.3 V 電壓。

LM1117 可以用嗎?

如果我們把上一回介紹的 LM1117 拿來直接用鋰離子電池供電,可以讓 ESP-12E 工作嗎?耐壓一定沒問題,LM1117 可以耐到 15 V 的輸入,但選用 LDO 時,除了看耐壓,還要看「最小壓差」夠不夠。

(圖片來源:Bird 提供)

根據 datasheet,LM1117 的最小工作壓差在輸出電流 500 mA 時是 1.25 V,但鋰離子電池滿電時的電壓只有 4.2 V,這時的壓差是:4.2 V – 3.3 V = 0.9 V。

壓差不夠,LM1117 就無法發揮穩壓的功能。4.2 V 時都如此了,更不用說當鋰電池的電壓更低的時候了;因此 LM1117 無法用在以鋰離子電池供電、要產生 3.3 V 的線性穩壓系統中。我們得找別的零件來用。

我們要設計的系統,最大壓差只有 0.9 V,在一般的定義中,只要工作容許的壓差小於 1 V,就可以稱之爲低壓差(lowd dropout)穩壓器,也就是常聽到的「LDO」。

從頭選起

現在很多半導體公司都有提供線上的零件選擇工具,幫助使用者從成千上萬的產品中找到適合的零件。我們就以 TI 的網站爲例,看看要怎麼找一顆適合的 LDO 來用。

在 TI 的 Power Management 產品頁面下,有一個分類叫 LDO,點進去就可以看到一個「Quick search」的界面:

(圖片來源:Bird 提供)

在這裡,我們可以很簡單地用輸入電壓、輸出電壓、最大輸出電流來篩選適合的 LDO 穩壓器。

至於輸出電壓設定的形式,fixed output 指的是像 LM7805 或 LM1117-3.3 這種 IC 本身輸出電壓就固定的產品;adjustable 則是像 LM1117-ADJ 這種藉由外部電阻來設定輸出電壓的產品;programmable output 就厲害了,它指的是可以用軟體透過如 I2C 或 SPI 之類的控制訊號來設定電壓,或是可以用燒錄的方法設定電壓的產品。

右下角的 Device Grade 則可以讓你篩選不同的半導體零件可靠度等級,如車用、軍用、一般用、軍用、高溫、甚至航太等級的產品。

我們試著在 Vin 輸入 4.2,Vout 輸入 3.3,Iout 輸入 0.2,Device Grade 選 catalog,然後按 search 看看。

(圖片來源:Bird 提供)

這時會出來 41 個產品,它們都符合 4.2 V 輸入、3.3 V 輸出、200 mA 電流的要求,而且排除了車用、軍用、航太等特殊規格的產品。

雖然我們已經從 TI 的六百多個 LDO 產品中挑出了 41 個,但數量還是蠻多的。我們來看一下前幾個好了:

(圖片來源:Bird 提供)

第一個 TPS7A20 用紅字告訴你它是新品上市,歡迎參考。除了電流可以到 300 mA 外,它還有超低雜訊、低待機電流(IQ)、以及高 PSRR 等特性,感覺就是個集各種優點於一身的完美情人 LDO。

第二個 TLV740P 也是 300mA,它的特點是一種叫做 foldback current limit 的電流限制技術,會隨著輸出電壓的降低(壓差增加)而進一步限制流過 LDO 穩壓器的電流,因此在輸出短路等失效的狀況下,還可以保護 LDO 在安全的工作區域、不至於燒毀。

第三個 TPS7A03 的最大輸出電流剛好 200 mA,但它有個叫做 Nanopower 的超低待機電流特性。

如果你要挑選有某些特性的 LDO,比方說超低雜訊、低待機電流等,可以先看一下第一行的描述,也可以用左方的工具列,以參數來過濾。

我們來看看 TPS7A03,它應該很適合用在我們這個電路中。

散熱特性

先來看散熱特性。 我們選用 SOT23-5 封裝的 TPS7A03,查閱 datasheet 找出這個封裝的熱阻:

(圖片來源:Bird 提供)

它的 R𝛉JA 是 181.9℃/W。我們先來算一下功耗:PD = (4.2 V – 3.3 V)* 0.2 A = 0.18 W,於是對環境的溫升就是:0.18 W * 181.9℃/W = 32.742 ℃。

當環境溫度是 25℃ 時,晶片內部的溫度會有 25 + 32.7 = 57.7 度,雖然略高但還在安全範圍內。

壓差

再來看工作壓差。Datasheet 裡照不同的輸出電壓列出了各自的 dropout voltage:

(圖片來源:Bird 提供)

由於我們不會讓這個系統在極端的高溫下工作,因此可以看 TJ= -40℃ 到 85℃ 這一組數字就好了。

在輸出電壓 3.3 V 到 5.0 V 的狀態下,TPS7A03 的最低壓差是 270 mV,也就是 0.27 V。這表示需要輸出 3.3 V 的話,至少需要 3.3 + 0.27 = 3.57 V 的輸入電壓。

我們來看一下鋰離子電池的放電特性曲線:

(圖片來源:Bird 提供)

放到 3.57 V 左右,大概可以利用到鋰電池 80% 左右的容量。再用下去不是不可以,因爲 ESP-12E 可以接受到最低 3.0 V 左右的電壓,但是當輸入電壓低於 3.57 V 時,TPS7A03 就不再能提供穩壓的功能,輸出電壓無法穩定在 3.3 V,這可能會影響 ESP8266 內部的類比電路穩定性,進而影響 RF 的效能。

輸出電容

我們上次講 LM1117 時,說過因爲它是一顆比較老的電源 IC,因此設計搭配的輸出電容器是 ESR 比較大的電解電容器或鉭質電容器,造成設計上的不便,因爲這些電容器的體積通常比較大。

TPS7A03 是一顆誕生在二十一世紀的電源 IC,它自然是設計搭配陶瓷電容器來使用。根據 datasheet 上的說明,TPS7A03 只需要 1 uF 的輸出電容器就可以穩定的工作,最大不能超過 22 uF。像陶瓷電容這種低 ESR 的輸出電容並不是越大越好,因爲它們的 ESR 很低,充電時的電流可以很大,當電容器裡沒有電荷時,充電時的電路特性幾近於短路,如果容量太大,會引起回授電路的不穩定。

小結

這回我們以鋰電池爲電力來源,試著設計一個 3.3 V 的穩壓電路來推動 ESP-12E 模組。我們說明了爲什麼上次介紹的 LM1117 不適合用於這個電池供電的電路,也示範了如何利用 TI 的產品選擇網頁搜尋適合的 LDO,以及選擇 LDO 時可以參考的說明。

因爲線性穩壓 IC 只能降壓,再加上它需要的工作壓差,它能利用的鋰電池工作電壓區間無法將鋰電池的容量榨乾。有關線性穩壓 IC 的介紹,我們就在這一回結束囉!

下一回,我們要探討電源電路裡面更複雜、更有趣,可以降壓也可以升壓的交換式電源。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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1 Comment

  1. Hi Bird,

    期待您的交換式電源文章, 感謝您

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