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无线物联网传感器节点和可穿戴设备的功率转换注意事项

2021年08月18日 开封机械设备网

无线物联网传感器节点和可穿戴设备的功率转换注意事项

电源系统注意事项是所有系统设计的重要方面。对于无线物联网(IoT)节点和可穿戴设备,电源系统设计非常复杂,需要平衡众多性能折衷。成功实现最大限度地延长电池寿命和整体功能的设计至关重要中国机械网okmao.com。幸运的是,在设计用于无线IoT节点和可穿戴设备的电源系统时,可以使用各种组件,包括低压降稳压器(LDO),各种类型的开关稳压器和电源管理IC。

挑战在于在动态功率范围可以为10,000:1且数据传输的高功率活动的占空比可以低至0.001%的系统中保持功率转换效率。快速的动态响应是必要的;它必须是低噪声的,因此不会干扰敏感的传感器或RF元件。在超低功率水平下运行超过99%的时间时,它必须保持高效率。

低静态电流LDO

无线物联网节点中发现的低功率水平使其适合用于电压调节的简单且廉价的LDO。除了提供电压调节之外,LDO还用于将敏感负载与嘈杂的电源环境隔离。LDO的关键参数包括:

压差电压是输出电压与输入电压之间的差,LDO在输入电压进一步降低的情况下将停止调节输出。

电源抑制比(PSRR)描述了LDO抑制其输出的任何电源变化的能力,通常以分贝表示。

瞬态响应非常重要,因为LDO无法即时响应瞬态负载变化。在响应时间内,输出电容器会提供负载瞬态电流,并且必须确定其大小以支持最大的预期瞬态负载事件,例如在唤醒过程中。

静态电流(IQ)是无线物联网节点和可穿戴设备中特别重要的参数,因为这些应用大部分时间都在低功耗模式下使用。较低的智商可能是延长电池寿命的重要因素。

德州仪器(TI)的TPS7A02具有25nA的超低IQ,是专门为静态电流非常低的关键应用而设计的。即使在辍学模式下,该设备仍保持低IQ消耗,以进一步延长电池寿命。在关机或禁用模式下,该设备消耗3nA的超低IQ,有助于延长电池的保质期。TPS7A02可以提供高达200mA的电流,并以50mV的步幅提供0.8V至5.0V的输出范围,以支持现代微控制器(MCU)的较低内核电压。

安森美半导体提供NCP171,双模LDO在活动模式下提供高达80mA的电流,在低功耗模式下提供低至50nA的IQ。该模式可以通过ECO引脚进行选择,从而可以在活动模式和低功耗模式之间进行动态切换,这是为电池供电的长寿命无线应用而设计的。NCP171的工作输入电压范围为1.7V至5.5V,输出电压范围为0.6V至3.3V(以50 mV为步长)。相对于活动模式下的标称输出电压,低功率模式下的输出电压可以降低内部出厂编程值,范围为50mV,100mV,150mV或200mV。此功能进一步降低了睡眠模式下的应用程序消耗。NCP171采用SLIQ(超低IQ)LDO系列,具有50nA的超低静态电流,并采用小型XDFN4 1.2 x 1.2封装。

开关稳压器

LDO对于低功率设备或输入电压与输出电压之间的差异很小的应用是一个不错的选择,而开关稳压器可以处理更高的负载电流和更宽的输入电压动态范围。IQ较低的开关稳压器的供应商包括Analog Devices,Dialog Semiconductor,Maxim Integrated Products,单片电源系统,安森美半导体,瑞萨电子,Rohm Electronics,德州仪器(TI)等。

Rohm的BD70522GUL是一款降压转换器,具有180nA的静态电流,可支持高达500mA的输出电流。采用ULP(超低功耗)模式的恒定导通时间(COT)控制可提供良好的瞬态响应,并通过在10μA的负载范围内提供较高的轻负载效率来延长电池寿命。可以通过VSEL引脚从9个预设电压中选择输出电压。当输入电压接近输出电压时,IC进入100%ON模式,在此模式下开关操作停止。

一些物联网应用(例如可穿戴设备)可能包括由LDO驱动的WiFi连接或显示模块,并且可以受益于添加降压/升压转换器作为开关式预调节器,从而提高整体系统效率,同时受益于低噪声以及LDO的快速动态响应功能。降压-升压型稳压器的稳压输出为LDO提供输入电压,从而最大化LDO的效率。

例如,ISL9120瑞萨电子提供的LDO非常适合用于LDO的预调节器。它是高度集成的降压-升压型开关稳压器,接受高于或低于稳压输出电压的输入电压。该调节器自动在降压和升压模式之间转换,而不会产生明显的输出干扰。ISL9120还具有自动旁路功能。当输入电压在输出电压的1%至2%之内时,VIN和VOUT引脚之间将存在直接旁路连接。除了自动旁路功能之外,ISL9120还具有强制旁路功能。ISL9120的转换效率高达98%,静态电流低至41μA,可最大限度地提高轻载效率。它只需要一个电感器和很少的外部组件。1.41mm x 1.41mm WLCSP减小了电源解决方案的尺寸。

电源管理IC

电源管理IC(PMIC)可以为空间受限的应用(例如可穿戴设备,可听设备,传感器和IoT设备)提供优化的电源管理。低工作电流,高效功率转换和紧凑的外形尺寸对于主要依靠小电池供电的设备至关重要。提供开关稳压器的大多数公司还提供PMIC,用于空间受限的应用。

基于单电感器多输出(SIMO)架构的PMIC使用单个电感器作为多个独立DC输出的能量存储元件。使用更少的电感器可以将电源尺寸缩小多达50%。此外,低静态电流有助于延长空间受限设计的电池寿命。

具有多个具有最佳效率的超低静态电流调节器的PMIC最大限度地降低了总功耗,并延长了电池寿命。通过将有效的法规与电池充电,智能电源控制和电源优化的外围设备相集成,可穿戴式PMIC提供了许多选项,可为始终开机的电池供电设备(如健身监视器,听觉设备,智能手表,物联网和可穿戴设备)创建空间优化的解决方案。临床设备。

例如,Maxim Integrated Products的MAX77680 / MAX77681是3通道SIMO降压-升压调节器,仅需3μA的静态电流(IQ)即可调节三个独立的电源轨。SIMO设计通过替换低效的LDO来提高电池寿命,同时在效率上与传统的单输出降压型器件竞争。该器件采用2.7V至5.5V的输入电源供电。输出可在0.8V至5.25V之间独立编程。

各个降压稳压器可以与电源管理IC结合使用,这些IC可以包括LDO,负载开关和其他稳压器,用于更复杂的电源系统设计。Dialog Semiconductor的DA9070是高度集成的PMIC,包括可穿戴设备和类似应用中的最常见需求,包括带有电源路径管理的线性充电器,300mA高效降压稳压器和三个150mA LDO /负载开关,宽输出升压稳压器,以及看门狗和保护功能。

可穿戴设备和无线IoT节点的电源管理系统,Dialog Semiconductor)

DA9070还集成了电池电压和电流监控器,从而能够创建高效的电池电量计解决方案。这些器件采用紧凑的42引脚2.97mm x 2.66mm WLCSP封装。

DA9070可以与紧凑型I2C可配置WLCSP封装中的超低静态电流,高效率降压稳压器DA9230结合使用,适用于需要高效电源的电池供电应用。由于DA9230在工作和停机期间提供的低静态电流,因此这些设备的电池寿命得到了显着改善。DA9230将高轻载效率扩展至10μA,从而进一步延长了电池寿命。

如图所示,设计人员在优化无线物联网节点和可穿戴设备的电源系统时可以选择多种电源管理组件。本系列的下一个常见问题解答将考虑用于测量和验证那些电源系统性能的工具和工具。