CN110086217A - 一种提高ldo瞬态响应的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高LDO瞬态响应的电路。本发明包括低压差线性稳压器U1、第一反馈电阻R1、第一上拉电阻R2、第二反馈电阻R3、第二限流电阻R4、第一限流电阻R5、P沟道MOS管Q1、NPN三极管Q2、第一前馈电容C1、第一储能电解电容C2、第二滤波钽电容C3、第一滤。本发明在现有的成熟、低成本的GPRS供电电路的基础上，通过提高LDO瞬态响应，进一步的榨取电池的使用时间，降低社会成本，提高人们的环保意识，有利于倡导低碳生活方式，同时，还可以为节约能源资源，保护生态环境，建设资源节约型、环境友好型社会多做贡献，推动经济社会走全面、协调、可持续发展的道路，意义十分重大。

Description

一种提高LDO瞬态响应的电路
技术领域
本发明属于物联网通信领域，涉及一种提高LDO瞬态响应的电路，具体是一种电源为碱性电池，负载为GPRS物联网模块的供电电路，应用于涉及燃气表的物联网通信领域,提高供电电路瞬态响应的电路。
背景技术
近年来随着半导体技术的发展及数字控制的普及,促进了仪器仪表行业的高速发展。仪表种类繁多，需要大量的人力、物力去抄取仪表数据。表具直接联网，上传表具数据，如消耗的气量、阀门状态、电池电压等到服务器，后台可直接计算消费金额，对于燃气公司，既节约了的抄表人力，燃气营业厅的服务人员，可提前知晓表具故障，方便维修人员上门维修。对于大众，不需要跑营业厅提前购买燃气，只需在家用手机或上网缴纳燃气费。物联网表具是民用燃气行业中一种利国利民的方式。
目前物联网表具主要有GPRS和NB-IoT二种，GPRS目前应用最广泛、信号覆盖最广，但耗电量大，单次发射上告数据需消耗比较大的电流。针对该缺陷，移动通信行业推出了NB-IoT，在正常的发射的功耗，同等条件下，大约是GPRS的一半。但目前NB网络信号覆盖还没有完全覆盖全国，NB模块的价格和资费也比较高。本文就在应用GPRS模块时遇到的电源问题进行解决，不涉及NB的应用技术。燃气表因安装环境差异大，因安全性要求气电分离，不需要时时监测等特性，使用电池作为供电电源为主流。因GPRS模块在发射上告数据时瞬时需要约1.6A的电流，出于成本的考虑，采用碱性电池。一般 4节碱性电池，消费者可使用一年。电池电压过低时，有些燃气表会用指示灯或屏幕或蜂鸣器提醒消费者更换。进一步的提高电池的使用时间，可以降低社会成本，提高人们的环保意识，有利于倡导低碳生活方式，同时，还可以为节约能源资源，保护生态环境，建设资源节约型、环境友好型社会多做贡献，推动经济社会走全面、协调、可持续发展的道路，意义十分重大。
GPRS信号发射的特点：
以上海移远GPRS模块M72为例，由于GSM在无线路径上的传输单位是由GMSK调制的比特组成的脉冲串，称为突发脉冲，GSM以 4.615ms为一个周期发送突发脉冲，突发脉冲的持续时间是577us，耗流最高会达到1.6A，其余空闲时间的耗流会低至十几毫安，由此导致GSM模块负载电流出现急剧的瞬间变化，如图1所示。在模块发射时最大电流在1.6A，VBAT都会有一个瞬间的跌落在恢复再抬升的过程。上海移远GPRS模块M72的工作电压在3.4～4.6V之间，为保证 M72能正常工作，即供电电压跌落的谷底必须比3.4V高，所以系统电压低压报警(即通知用户更换电池)的电压值为3.4V加上跌落的幅值Δt V。缩短跌落的幅值Δt，就能在不影响功能的前提下，延长电池的更换时间。本案就如何缩短跌落的幅值Δt，即提高LDO瞬态响应展开说明。
发明内容
本发明的目的就是在现有的成熟、低成本的GPRS供电电路的基础上，通过提高LDO瞬态响应，进一步的榨取电池的使用时间。
本发明解决其技术问题所采的技术方案如下：
本发明电路包括低压差线性稳压器U1、第一反馈电阻R1、第一上拉电阻R2、第二反馈电阻R3、第二限流电阻R4、第一限流电阻R5、 P沟道MOS管Q1、NPN三极管Q2、第一前馈电容C1、第一储能电解电容C2、第二滤波钽电容C3、第一滤波电容C4、第三滤波电容C5、第四滤波电容C6、第五滤波电容C7。
单片机控制管脚GPRS_POWER_JD与第一限流电阻R5的一端相连，第一限流电阻R5的另一端与NPN三极管Q2的基极相连，NPN三极管Q2的发射级与GND相连，NPN三极管Q2的集电极与第二限流电阻R4 的一端相连，第二限流电阻R4的另一端与第一上拉电阻R2的一端、P沟道MOS管Q1的栅极相连，第一上拉电阻R2的另一端与P沟道MOS 管Q1的源极、碱电池的正极VIN相连，P沟道MOS管Q1的漏极与第一储能电解电容C2的正极、第一滤波电容C4的一端、低压差线性稳压器LDO(SPX29302T5)U1的第1引脚和第2引脚相连，第一储能电解电容C2的负极与GND相连，第一滤波电容C4的另一端与GND相连，低压差线性稳压器LDO(SPX29302T5)U1的第3引脚和第6引脚与 GND相连，低压差线性稳压器LDO(SPX29302T5)U1的第4引脚和第一反馈电阻R1的一端、第一前馈电容C1的一端、第二滤波钽电容 C3的正极、第三滤波电容C5的一端、第四滤波电容C6的一端、第五滤波电容C7的一端、GPRS模块的电源脚3.8V相接，低压差线性稳压器LDO(SPX29302T5)U1的第5引脚与第一反馈电阻R1的另一端、第二反馈电阻R3的一端、第一前馈电容C1的另一端相连，第二反馈电阻R3的另一端与GND相连，第二滤波钽电容C3的负极、第三滤波电容C5的另一端、第四滤波电容C6的另一端、第五滤波电容C7的另一端与GND相连。
本发明电路具体实现过程如下：
本发明以GPRS供电电路为基础进行改进，在原GPRS供电电路前端增加P沟道MOS管Q1，在绝大部分GPRS不工作时，单片机 GPRS_POWER_JD管脚拉低电平，NPN三极管Q2不导通，P沟道MOS管 Q1的栅极通过第一上拉电阻R2与VIN相连来保持高电平；P沟道MOS 管Q1不导通，电路不消耗任何电流。增加一级控制电路(NPN三极管Q2控制P沟道MOS管Q1)的意义在于燃气表普遍外接4节碱电，按1.5V计算，VIN将会高达6V的电压，如果P沟道MOS管Q1栅极直接接单片机控制管脚，就超过了单片机管脚的耐压值，会损坏单片机。第一储能电解电容C2选取1000uf，继续增大第一储能电解电容 C2的值或者并联多个储能电解电容，对LDO瞬态响应并无太大帮助。滤波钽电容C3选取220uf，继续增大滤波钽电容的值或者并联多个储能电解电容，对LDO瞬态响应并无太大帮助。
管脚GPRS_POWER_JD为低电平时，Q2关断；Q1栅极在R2上拉作用下栅极电压等于VIN，Q1关断，整个电路处于未供电禁止状态。
管脚GPRS_POWER_JD为高电平时，Q2导通，经过R2、R4电阻分压后Q1的栅极电压＝(VIN-0.7V)/2,Q1栅极电压低于Q1门电压Q1 导通，给后端电路供电；此时低压差线性稳压电源芯片U1和R1、R3、 C1构成的电压微分负反馈电路开始工作，去耦电容C2、C3，滤波电容C4、C5、C6、C7，U1充电。1秒后开机工作发送数据，发射电流最大1.7A，(在没有电压微分负反馈电路情况下U1输出电压瞬态压降420mV)；此时R1、R3、C1构成的电压微分负反馈电路利用电容电流的超前作用，将电压的微小变化量提前反映到U1内部的运算放大器中，使得系统对微量变化反应更快，避免U1调节末期超调量的出现，将U1瞬态压降减小到155mV，这样前端电池可以用到更低的电压，释放出更多的能量，在保证后端模块正常工作的情况下，使用更长时间。
本发明有益效果如下：
本发明通过提高LDO瞬态响应能力，从而降低了系统可工作的最低电压，达到充分利用电池能量，降低系统成本，节约资源，减少污染的综合社会效益，响应了国家建设节能环保社会的要求和号召。
附图说明
图1为本发明中GPRS供电电路模拟GPRS数据上告时电压特性曲线图；
图2为本发明中GPRS供电电路整体电路；
图3为本发明中GPRS供电电路未引入前馈电容模拟GPRS数据上告时电压特性曲线图；
图4为本发明中GPRS供电电路未引入前馈电容，减小反馈电阻，模拟GPRS数据上告时电压特性曲线图；
图5为本发明中GPRS供电电路引入前馈电容后，未减小反馈电阻，模拟GPRS数据上告时电压特性曲线图；
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特点、所实现的效果，以下结合实施方式并配合附图详细说明。
举例上海移远GPRS模块M72，在省电的sleep模式下，电流为 1.2mA，对于燃气表来说是不可接受的，燃气表行业一般待机静态电流需小于50uA。一天上告一次数据即可。所以GPRS供电电路前端增加P沟道MOS管，在绝大部分GPRS不工作时，单片机GPRS_POWER_JD 管脚拉低电平，NPN三极管不导通，P沟道MOS管的栅极通过第一上拉电阻R2与VIN相连，保持高电平；P沟道MOS管不导通，电路不消耗任何电流。增加一级三极管取控制MOS管的意义在于燃气表普遍外接4节碱电，按1.5V计算，VIN将会高达6V的电压，如果P沟道 MOS管栅极直接接单片机控制管脚，就超过了单片机管脚的耐压值，会损坏单片机。储能电解电容C2选取1000uf，继续增大C2的值或者并联多个储能电解电容，对LDO瞬态响应并无太大帮助。滤波钽电容C3选取220uf，继续增大C3的值或者并联多个储能电解电容，对LDO瞬态响应并无太大帮助。
如下图3所示，最大跌落-420mV。如果减小反馈电阻R1、R3的值，R1原为22K减小到530欧，R3原为10K减小到200欧，结果如图3所示，最大跌落跌落-230mV，显著改善LDO瞬态响应，但是对比原方案，增加了8mA的电流，增加了功耗。为了不增加功耗且响应快，引入了前馈电容C1，选取0.1uf时，如图5所示，最大跌落-155mV，显著改善LDO瞬态响应并且还不增加功耗。
在没有引入前馈电容C1时，低压报警的值，需设置在模块正常工作电压3.4V加上0.42V，即3.84V。在引入前馈电容C1后,低压报警的值，模块正常工作电压3.4V加上0.155V,即3.555V。比原方案低0.285V，进一步榨取了电池的使用时间。

Claims (1)

1.一种提高LDO瞬态响应的电路，其特征在于：
该电路包括低压差线性稳压器U1、第一反馈电阻R1、第一上拉电阻R2、第二反馈电阻R3、第二限流电阻R4、第一限流电阻R5、P沟道MOS管Q1、NPN三极管Q2、第一前馈电容C1、第一储能电解电容C2、第二滤波钽电容C3、第一滤波电容C4、第三滤波电容C5、第四滤波电容C6、第五滤波电容C7；
单片机控制管脚GPRS_POWER_JD与第一限流电阻R5的一端相连，第一限流电阻R5的另一端与NPN三极管Q2的基极相连，NPN三极管Q2的发射级与GND相连，NPN三极管Q2的集电极与第二限流电阻R4的一端相连，第二限流电阻R4的另一端与第一上拉电阻R2的一端、P沟道MOS管Q1的栅极相连，第一上拉电阻R2的另一端与P沟道MOS管Q1的源极、碱电池的正极VIN相连，P沟道MOS管Q1的漏极与第一储能电解电容C2的正极、第一滤波电容C4的一端、低压差线性稳压器LDOU1的第1引脚和第2引脚相连，第一储能电解电容C2的负极与GND相连，第一滤波电容C4的另一端与GND相连，低压差线性稳压器LDOU1的第3引脚和第6引脚与GND相连，低压差线性稳压器LDOU1的第4引脚和第一反馈电阻R1的一端、第一前馈电容C1的一端、第二滤波钽电容C3的正极、第三滤波电容C5的一端、第四滤波电容C6的一端、第五滤波电容C7的一端、GPRS模块的电源脚3.8V相接，低压差线性稳压器LDOU1的第5引脚与第一反馈电阻R1的另一端、第二反馈电阻R3的一端、第一前馈电容C1的另一端相连，第二反馈电阻R3的另一端与GND相连，第二滤波钽电容C3的负极、第三滤波电容C5的另一端、第四滤波电容C6的另一端、第五滤波电容C7的另一端与GND相连；
低压差线性稳压器LDOU1型号为SPX29302T5；
当单片机GPRS_POWER_JD管脚拉低电平，NPN三极管Q2不导通，P沟道MOS管Q1的栅极通过第一上拉电阻R2与VIN相连来保持高电平；P沟道MOS管Q1不导通，电路不消耗任何电流；增加NPN三极管Q2控制P沟道MOS管Q1，防止VIN将会高达6V的电压损坏单片机。
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