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(lái)執(zhí)行眾多任務(wù)，最常見(jiàn)的就是監(jiān)測(cè)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(shì)頭如此迅猛，市場(chǎng)調(diào)研公司ABI Research預(yù)測(cè)該市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率為56.1%，其出貨量將在2018年達(dá)到4.87億件。
對(duì)于正在步入老年的嬰兒潮一代人，可穿戴設(shè)備來(lái)得正是時(shí)候，因?yàn)闇?zhǔn)確的醫(yī)療監(jiān)測(cè)有助于應(yīng)對(duì)嚴(yán)重的健康問(wèn)題。由于用戶(hù)對(duì)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(kāi)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(lèi)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(cè)的可穿戴設(shè)備，如Fitbit Flex和Jawbone UP4，這兩款產(chǎn)品都對(duì)數(shù)據(jù)收集和健身活動(dòng)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(wèn)題之一是這些設(shè)備一次充電能夠使用多長(zhǎng)時(shí)間。電池續(xù)航時(shí)間是消費(fèi)者決定購(gòu)買(mǎi)哪種可穿戴設(shè)備的一個(gè)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(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間�？纱┐髟O(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(hào)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(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器和3~5個(gè)LDO低壓差線(xiàn)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(jì)
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(jià)值。對(duì)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(shí)處于純升壓模式，然后在Vin≥3V和＜3.9V時(shí)處于升壓-降壓模式，最后在Vbat =3.9V-4.5V時(shí)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(gè)LDO供電，如果電力直接來(lái)自電池，則這些外設(shè)會(huì)產(chǎn)生大量功率損耗，因?yàn)長(zhǎng)DO的效率等于Vout除以Vin。在較高負(fù)載時(shí)，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(dòng)了對(duì)更高效的電源管理的需要。當(dāng)多個(gè)應(yīng)用同時(shí)工作時(shí)，短時(shí)大電流脈沖會(huì)造成局部節(jié)點(diǎn)電壓降至建議輸入范圍以下，并會(huì)造成應(yīng)用關(guān)斷。這種行情況非常不利，可通過(guò)將升壓-降壓轉(zhuǎn)換器用作這些設(shè)備的預(yù)穩(wěn)壓器來(lái)避免，例如液晶顯示器（LCD）和由LDO供電的應(yīng)用。
延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%的效率，在較低負(fù)載條件時(shí)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(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，并通過(guò)消除對(duì)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(jí)電流限制方案，從350mA到2A分為32個(gè)等級(jí)。
圖2：ISL9120升壓-降壓穩(wěn)壓器效率曲線(xiàn)圖
如圖3所示，從一個(gè)等級(jí)到另一個(gè)等級(jí)的轉(zhuǎn)換，由一個(gè)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(huì)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(shí)，電流限制轉(zhuǎn)換到下一個(gè)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(gè)較低水平。如果脈沖數(shù)量在最高電流限制時(shí)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(shí)無(wú)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(huì)在給LDO供電且LDO處于輸出電流接近零的待機(jī)模式時(shí)，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(duì)LDO基本沒(méi)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(shì)。例如，心率監(jiān)測(cè)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(gè)LED來(lái)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)心率，因?yàn)檫@對(duì)可穿戴設(shè)備佩戴位置的依賴(lài)較小，并適用更廣泛的最終用戶(hù)。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(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間）、對(duì)輸入擾動(dòng)的更高抵抗力、以及極低輸出紋波。當(dāng)心率監(jiān)測(cè)器不工作時(shí)，可使ISL9120進(jìn)入強(qiáng)制旁路模式，這時(shí)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(gè)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(lái)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(duì)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WiFi的趨勢(shì)，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(lái)管理越來(lái)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(mǎn)足這些不斷增加的要求，同時(shí)延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，并使下一代可穿戴設(shè)備能夠連續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間且工作溫度更低。 |
