如何使用穩(wěn)壓器提高可穿戴設(shè)備電源效率?
發(fā)布時間:2017-03-03 來源:魏佳 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】可穿戴設(shè)備已迅速成為許多人日常生活和工作中的最新“必備”品。消費(fèi)者使用這些設(shè)備來執(zhí)行眾多任務(wù),最常見的就是監(jiān)測健康和管理繁忙的日程。事實(shí)上,可穿戴設(shè)備的發(fā)展勢頭如此迅猛,市場調(diào)研公司ABI Research預(yù)測該市場的年復(fù)合增長率為56.1%,其出貨量將在2018年達(dá)到4.87億件。
對于正在步入老年的嬰兒潮一代人,可穿戴設(shè)備來得正是時候,因?yàn)闇?zhǔn)確的醫(yī)療監(jiān)測有助于應(yīng)對嚴(yán)重的健康問題。由于用戶對設(shè)備性能的期待日益提升,系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須開發(fā)更小、更高效和更經(jīng)濟(jì)的解決方案,以便讓可穿戴設(shè)備能夠戴在更多人的手腕之上。
可穿戴設(shè)備種類繁多,例如,三星Gear和Apple Watch,可提供網(wǎng)絡(luò)連接、高質(zhì)量顯示屏和諸多特性;另外還有單純用于健康監(jiān)測的可穿戴設(shè)備,如Fitbit Flex和Jawbone UP4,這兩款產(chǎn)品都對數(shù)據(jù)收集和健身活動跟蹤功能進(jìn)行了優(yōu)化。在可穿戴設(shè)備如此受歡迎的情況下,消費(fèi)者最關(guān)心的問題之一是這些設(shè)備一次充電能夠使用多長時間。電池續(xù)航時間是消費(fèi)者決定購買哪種可穿戴設(shè)備的一個關(guān)鍵考慮因素。
本文介紹了典型可穿戴設(shè)備的系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì),分析了升壓-降壓穩(wěn)壓器如何能提高功率效率,以延長電池續(xù)航時間。可穿戴設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師將了解,一種新的穩(wěn)壓器如何使用自適應(yīng)電流限制脈沖頻率調(diào)制(PFM)和強(qiáng)制旁路模式,提供從降壓到升壓的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換,以防止可穿戴設(shè)備應(yīng)用中出現(xiàn)信號毛刺。輕負(fù)載效率和快瞬態(tài)響應(yīng)在這些應(yīng)用中至關(guān)重要。
可穿戴設(shè)備架構(gòu)
典型可穿戴設(shè)備架構(gòu)中包括微處理器、內(nèi)存、顯示器、傳感器、通信IC和電池充電塊等組件。根據(jù)具體的系統(tǒng)應(yīng)用,需要使用至少3個DC-DC轉(zhuǎn)換器和3-5個LDO低壓差線性穩(wěn)壓器。圖1顯示了用于基礎(chǔ)可穿戴設(shè)備的典型電源系統(tǒng)。
圖1. 可穿戴設(shè)備典型電源解決方案系統(tǒng)框圖
首先,我們將討論升壓-降壓穩(wěn)壓器如何為可穿戴系統(tǒng)增加價值。對于需要約3.3V-3.6V輸入電壓的應(yīng)用,升壓-降壓穩(wěn)壓器可高效地使用電壓范圍為4.375V-2.5V的廣泛新型化學(xué)電池。升壓-降壓穩(wěn)壓器在電池電壓(Vbat)為2.5V-3V時處于純升壓模式,然后在Vin≥3V和<3.9V時處于升壓-降壓模式,最后在Vbat =3.9V-4.5V時處于純降壓模式。
升壓-降壓轉(zhuǎn)換器用作預(yù)穩(wěn)壓器
諸如Wi-Fi和顯示模塊等多種應(yīng)用都由一個LDO供電,如果電力直接來自電池,則這些外設(shè)會產(chǎn)生大量功率損耗,因?yàn)長DO的效率等于Vout除以Vin。在較高負(fù)載時,LDO的功率損耗更高并產(chǎn)生更多熱量。將升壓-降壓轉(zhuǎn)換器用作LDO的預(yù)穩(wěn)壓器有助于提高系統(tǒng)效率。此外,利用該配置,LDO始終經(jīng)歷恒定Vin(升壓-降壓輸出)功率損耗,可避免直接用電池供電而產(chǎn)生較大的功率損耗。
另外,增加更多的可穿戴設(shè)備特性還要求更快的處理速度,這推動了對更高效的電源管理的需要。當(dāng)多個應(yīng)用同時工作時,短時大電流脈沖會造成局部節(jié)點(diǎn)電壓降至建議輸入范圍以下,并會造成應(yīng)用關(guān)斷。這種行情況非常不利,可通過將升壓-降壓轉(zhuǎn)換器用作這些設(shè)備的預(yù)穩(wěn)壓器來避免,例如液晶顯示器(LCD)和由LDO供電的應(yīng)用。
延長電池續(xù)航時間
ISL9120升壓-降壓穩(wěn)壓器在低負(fù)載和高負(fù)載條件下都能提供優(yōu)異的效率。如圖2所示,其自適應(yīng)脈沖頻率調(diào)制(PFM)工作模式可幫助它在較高負(fù)載時實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%的效率,在較低負(fù)載條件時達(dá)到86%以上的效率。這可確保降低功耗和減少熱量生成,從而延長電池續(xù)航時間,并通過消除對外部熱沉的需要而節(jié)省電路板空間。為在輸出電流范圍上實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化,ISL9120實(shí)施多級電流限制方案,從350mA到2A分為32個等級。
圖2. ISL9120升壓-降壓穩(wěn)壓器效率曲線圖
如圖3所示,從一個等級到另一個等級的轉(zhuǎn)換,由一個PFM脈沖串中的脈沖數(shù)量決定。在既定的峰值電流限制水平下,脈沖數(shù)量會隨著輸出電流的增加而增加。當(dāng)脈沖數(shù)量達(dá)到現(xiàn)有電流限制的上限閾值時,電流限制轉(zhuǎn)換到下一個更高水平。同樣,如果脈沖數(shù)量達(dá)到現(xiàn)有電流限制的下限閾值,則器件將轉(zhuǎn)換到峰值電流限制的下一個較低水平。如果脈沖數(shù)量在最高電流限制時達(dá)到上限閾值,則電流限制將不再上升。ISL9120還支持強(qiáng)制旁路模式,這時無需輸出調(diào)節(jié)。其系統(tǒng)待機(jī)模式實(shí)現(xiàn)了小于0.5μA的超低靜態(tài)電流消耗。例如,升壓-降壓穩(wěn)壓器會在給LDO供電且LDO處于輸出電流接近零的待機(jī)模式時,采用強(qiáng)制旁路模式。在此條件下,使升壓-降壓穩(wěn)壓器進(jìn)入旁路模式對LDO基本沒有影響,但可為穩(wěn)壓器節(jié)省41µA的靜態(tài)電流消耗。
圖3. 自適應(yīng)電流方案提供從降壓到升壓的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換
升壓-降壓應(yīng)用示例
仔細(xì)觀察圖1可以看出,使用升壓-降壓穩(wěn)壓器的可穿戴設(shè)備應(yīng)用具有優(yōu)勢。例如,心率監(jiān)測器傳感系統(tǒng)需要約3.3V輸入電壓,系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師通常建議使用2-3個LED來準(zhǔn)確地監(jiān)測心率,因?yàn)檫@對可穿戴設(shè)備佩戴位置的依賴較小,并適用更廣泛的最終用戶。但該配置需要消耗較大的電流。將ISL9120用作預(yù)穩(wěn)壓器非常適合這種應(yīng)用,因?yàn)殡姵乜芍苯咏o其供電,從而提供更高的系統(tǒng)效率(更長電池續(xù)航時間)、對輸入擾動的更高抵抗力、以及極低輸出紋波。當(dāng)心率監(jiān)測器不工作時,可使ISL9120進(jìn)入強(qiáng)制旁路模式,這時僅消耗0.5µA電流,直至其被喚醒。
可穿戴LCD尺寸小,通常使用一個白光LED作為背光。如圖1所示,現(xiàn)有解決方案使用5V升壓來給LCD塊供電。廣泛的小尺寸(1-2英寸)LCD可使用3V-3.6V而非5V電源供電。這使升壓-降壓穩(wěn)壓器對實(shí)現(xiàn)更高效的電源設(shè)計(jì)非常具有吸引力。最后,可穿戴設(shè)備具有集成Wi-Fi的趨勢,這樣的系統(tǒng)通常需要3.3V供電電壓和低輸入紋波。由于可穿戴設(shè)備的空間限制,小而緊湊的設(shè)計(jì)是基本要求。而將ISL9120用作預(yù)穩(wěn)壓器非常合適可穿戴設(shè)備應(yīng)用。
結(jié)論
由于可穿戴設(shè)備尺寸變得更小、集成度變得更高,需要用更快的處理器來管理越來越多的功能,高效的電源管理變得格外重要。事實(shí)證明,具有自適應(yīng)電流限制PFM的新型升壓-降壓穩(wěn)壓器可滿足這些不斷增加的要求,同時延長電池續(xù)航時間,并使下一代可穿戴設(shè)備能夠連續(xù)工作更長時間且工作溫度更低。
推薦閱讀:
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測試庫獲得德國萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無線開發(fā)平臺引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來更多臺式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號調(diào)節(jié)器, 以推動不斷增長的IO-Link市場
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 一文掌握UV LED在空凈消殺領(lǐng)域的主要應(yīng)用
- 【“源”察秋毫系列】 Keithley在碳納米管森林涂層纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
- 數(shù)字驅(qū)動工業(yè),智能賦能制造 AMTS & AHTE SOUTH CHINA 2024同期會議全公開!
- 團(tuán)體觀展招募!104CEF開啟組團(tuán)觀眾通道,解鎖更多禮遇
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動力電池
動力控制
獨(dú)石電容
端子機(jī)
斷路器
斷路器型號
多層PCB
多諧振蕩器
扼流線圈
耳機(jī)
二極管
二極管符號
發(fā)光二極管
防靜電產(chǎn)品
防雷
防水連接器
仿真工具
放大器
分立器件
分頻器
風(fēng)力渦輪機(jī)
風(fēng)能
風(fēng)扇
風(fēng)速風(fēng)向儀