通過升壓-降壓穩(wěn)壓器延長可穿戴設(shè)備電池續(xù)航的設(shè)計方案

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，因為準(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，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?？纱┐髟O(shè)備系統(tǒng)設(shè)計工程師將了解，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

Battery charger： 電池充電器

Li-ion Cell： 鋰離子電池

Backlight boost regulator： 背光升壓穩(wěn)壓器

Handheld/portable display： 手持/便攜式顯示

Buck regulator： 降壓穩(wěn)壓器

GPS Module： GPS模塊

Memory： 內(nèi)存

Bluetooth Dual Mode： 藍(lán)牙雙模

Touchscreen controller： 觸摸屏控制器

3-Axis accelerometer： 3軸加速度計

Pressure & altitude sensor： 壓力和高度傳感器

Heart rate sensor： 心率傳感器

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WiFi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，因為LDO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現(xiàn)效率優(yōu)化，ISL9120實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

Increasing Iout： 正在升高的Iout

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)計工程師通常建議使用2~3個LED來準(zhǔn)確地監(jiān)測心率，因為這對可穿戴設(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，因為電池可直接給其供電，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)壓器對實現(xiàn)更高效的電源設(shè)計非常具有吸引力。最后，可穿戴設(shè)備具有集成WiFi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。