供电系统设计：DC-DC转换器、LDO选型与效率曲线
供电系统，说白了就是模组的“心脏”。你想想看，一个NB-IoT模组待机电流才几微安，结果供电芯片自己就吃掉几十微安，那还玩什么低功耗？我见过太多项目，射频指标调得漂漂亮亮，一测整机功耗却傻了眼——问题往往就出在电源转换效率上。
这一章，咱们把DC-DC和LDO这两兄弟掰开揉碎，看看它们到底怎么影响整体功耗。
一、LDO与DC-DC：天生一对，但各有脾气
先看个对比表格，心里有个底：
| 特性 | LDO | DC-DC（降压型） |
|---|---|---|
| 效率 | ≈ Vout/Vin（压差越大效率越低） | 80%~95%（轻载时可能下降） |
| 输出纹波 | 极低（< 10μV） | 较高（10~50mV，取决于拓扑） |
| 静态电流 | 可低至几百nA | 通常几μA到几十μA |
| 噪声 | 极低 | 有开关噪声 |
| 成本/面积 | 低/小 | 高/大（需要电感、电容） |
| 适用场景 | 射频、模拟电路、低噪声供电 | 大电流、高效率需求 |
我个人习惯：能用DC-DC的地方尽量用DC-DC，但射频前端和时钟电路必须用LDO。为什么？因为DC-DC的开关噪声会直接耦合到天线，导致灵敏度恶化。我在一个Cat.1项目中吃过这个亏——DC-DC频率刚好落在接收频段内，灵敏度直接掉了3dB，后来加了一级LDO才救回来。
二、效率曲线：别只看标称值
很多工程师选DC-DC只看数据手册第一页的“效率高达95%”，结果实际用起来只有70%。为什么？因为那个95%是在特定条件下测的——通常是中等负载、特定输入输出电压。你想想看，模组大部分时间在PSM（省电模式）或eDRX（扩展不连续接收），电流可能只有几微安到几毫安。
看这张图就明白了：
看到了吗？轻载效率才是低功耗设计的命门。模组在PSM模式下电流可能只有3μA，如果DC-DC在1mA以下效率骤降到30%，那还不如直接用LDO。
核心原则：选DC-DC时，一定要看数据手册里的“效率 vs 负载电流”曲线，重点关注1μA~10mA区间的效率。如果厂家没给这条曲线，我建议直接换芯片。
三、选型实战：三步走
第一步：算功耗预算
先搞清楚模组各状态的电流需求：
| 模组状态 | 典型电流 | 持续时间 | 占比 |
|---|---|---|---|
| PSM（省电模式） | 3~5 μA | 数小时 | > 95% |
| eDRX（扩展不连续接收） | 100~500 μA | 几秒~几分钟 | ~4% |
| 数据发送（TX） | 200~500 mA | 几十毫秒 | < 0.1% |
| 数据接收（RX） | 50~100 mA | 几十毫秒 | < 0.1% |
嗯，这里要注意：PSM占比超过95%，但TX峰值电流可能比PSM高10万倍。所以供电芯片必须同时满足“极低静态电流”和“高峰值输出能力”。
第二步：选拓扑
我个人习惯这样选：
- 电池直接供电（3.6V~4.2V）→ 模组VBAT（3.3V~3.6V）：用DC-DC降压，选静态电流< 5μA的型号。比如TPS62840，静态电流仅1.5μA，轻载效率还能保持80%以上。
- DC-DC输出 → 射频/时钟供电：必须加一级LDO。选压差低、PSRR高的型号，比如TPS7A02，静态电流低至25nA。
- 电池直接 → RTC/备份域：直接用LDO，因为电流极小（< 1μA），LDO的压降损耗可以忽略。
小技巧：如果DC-DC的轻载效率实在不理想，可以考虑“旁路模式”——在PSM期间用LDO供电，在TX/RX期间切回DC-DC。我曾在某款水表产品上用过这种方案，整机待机功耗降低了40%。
第三步：算效率，算损耗
别只看效率百分比，要算实际功耗。举个例子：
场景：3.8V电池 → 3.3V/100mA输出
方案A：LDO
- 效率 = 3.3/3.8 = 86.8%
- 损耗功率 = (3.8-3.3) × 0.1 = 0.05W
- 自身功耗 ≈ 静态电流 × 输入电压 = 1μA × 3.8V = 3.8μW
方案B：DC-DC（效率90%）
- 输入功率 = 3.3×0.1 / 0.9 = 0.367W
- 损耗功率 = 0.367 - 0.33 = 0.037W
- 自身功耗 ≈ 静态电流 × 输入电压 = 5μA × 3.8V = 19μW
结论：大电流时DC-DC损耗更小，但自身静态功耗更高。
如果模组99%时间在PSM（3μA），LDO的总功耗反而更低。你看，没有绝对的“谁更好”，只有“谁更适合你的场景”。
四、避坑指南：我踩过的几个坑
坑一：电感选型不当导致效率暴跌
我曾经在一个项目中，DC-DC效率怎么都上不去，只有70%。查了半天，发现是电感饱和电流选小了——峰值电流时电感饱和，效率直接崩了。后来换成饱和电流大30%的电感，效率回到88%。记住：电感的DCR和饱和电流要同时看，DCR越低越好，但饱和电流必须大于峰值电流的1.2倍。
坑二：输出电容ESR太大
DC-DC的输出纹波跟电容ESR直接相关。我见过有人用普通铝电解电容，纹波高达100mV，导致模组在TX时误码率飙升。换成低ESR的MLCC（多层陶瓷电容），纹波降到10mV以下，问题解决。
坑三：LDO的PSRR在高频段下降
很多LDO数据手册只给1kHz的PSRR（电源抑制比），但DC-DC的开关频率可能是1MHz以上。这时候LDO的PSRR可能已经降到20dB以下，根本滤不掉噪声。选LDO时，一定要看1MHz处的PSRR，至少要40dB以上。
警告：不要为了省成本把LDO换成磁珠+电容滤波。磁珠在低频段几乎没有滤波效果，而DC-DC的开关噪声往往在几百kHz到几MHz，磁珠根本扛不住。射频供电必须用LDO，这是底线。
五、整体功耗评估：一个实际案例
最后，我分享一个实际项目的功耗拆解。某NB-IoT烟感产品，电池容量2400mAh，要求续航5年：
| 供电方案 | PSM功耗 | TX功耗 | 日均功耗 | 理论续航 |
|---|---|---|---|---|
| 纯LDO（3.8V→3.3V） | 4.5 μA | 380 mA | 12.8 μAh | 18.7 年 |
| DC-DC（静态5μA） | 8.2 μA | 310 mA | 15.6 μAh | 15.3 年 |
| DC-DC+LDO混合 | 4.8 μA | 320 mA | 13.1 μAh | 18.3 年 |
有意思吧？在这个案例里，纯LDO方案反而比DC-DC方案续航更长。因为PSM占比太高，DC-DC的静态电流成了主要矛盾。最终我们选了DC-DC+LDO混合方案——PSM时切到LDO，TX时用DC-DC，既保证了效率，又压低了待机功耗。