可穿戴設(shè)備：如何延長電池續(xù)航時(shí)間

摘要：隨著可穿戴設(shè)備的普及，人們越來越注重可穿戴設(shè)備電池續(xù)航能力。本文介紹了一種用于滿足可穿戴設(shè)備最重要的低功耗設(shè)計(jì)要求的新型降壓 -升壓穩(wěn)壓器。實(shí)驗(yàn)證明支持自適應(yīng)限PFM模式的新型降壓 -升壓穩(wěn)壓器可滿足這些要求，從而延長電池續(xù)航時(shí)間，使下一代可穿戴設(shè)備能夠連續(xù)工作更長時(shí)間且工作溫度更低。

　　技術(shù)行業(yè)與市場研究者非?？春每纱┐髟O(shè)備，可穿戴設(shè)備已在幫助各個(gè)年齡段的消費(fèi)者監(jiān)控日常健身活動和管理工作及個(gè)人日程。據(jù)市場調(diào)研公司ABI Research預(yù)測，可穿戴設(shè)備市場將以56.1%的年均復(fù)合增長率增長，出貨量到2018年達(dá)到4.87億單元。由于消費(fèi)者對設(shè)備性能的期望不斷上升，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨著設(shè)計(jì)更小、更高效和功能豐富的解決方案的挑戰(zhàn)。

　　現(xiàn)在的可穿戴設(shè)備包括智能手表，如三星Gear智能手表和蘋果手表，它們提供網(wǎng)絡(luò)連接、高質(zhì)量顯示屏和許多特性。另外還有面向健身的可穿戴設(shè)備，如Fitbit Flex和Jawbone UP4，它們都為數(shù)據(jù)采集和健身跟蹤而進(jìn)行了優(yōu)化。隨著可穿戴設(shè)備變得越來越流行，消費(fèi)者都很關(guān)心設(shè)備的充電周期有多長。電池續(xù)航時(shí)間是消費(fèi)者在決定購買哪種可穿戴產(chǎn)品時(shí)所考慮的最重要因素之一。

　　本文介紹了一種用于滿足可穿戴設(shè)備最重要的低功耗設(shè)計(jì)要求的新型降壓-升壓穩(wěn)壓器。首先考察典型可穿戴系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)，然后分析新型降壓-升壓穩(wěn)壓器如何增加功率效率，以延長電池續(xù)航時(shí)間。本文分析新型穩(wěn)壓器如何使用自適應(yīng)限流脈沖頻率調(diào)制(PFM)和強(qiáng)制旁路模式提供從降壓到升壓的平滑轉(zhuǎn)換，以防止可穿戴設(shè)備應(yīng)用中的信號毛刺，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。

1 可穿戴設(shè)備需要降壓-升壓功能

　　典型的可穿戴設(shè)備電源解決方案使用至少三個(gè)DC-DC穩(wěn)壓器和3-5個(gè)LDO，這會占用寶貴的電路板空間。LDO也欠缺降壓-升壓穩(wěn)壓器的高效率和可靠性。例如，當(dāng)使用LDO為配備輸出電壓約為3.3V的鋰離子電池的系統(tǒng)外設(shè)供電時(shí)，來自應(yīng)用處理器的大突發(fā)電流會造成Vin下降到LDO調(diào)節(jié)電壓以下，造成內(nèi)存重置或應(yīng)用關(guān)斷。ISL9120降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器(見圖1)解決該問題的方法是提供更寬Vin范圍和升壓功能，以避免在Vin降至低于輸出電壓時(shí)由于低壓毛刺造成電池掉電。只需一個(gè)采用1.41mm x 1.41mm小尺寸封裝電感即可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，設(shè)計(jì)工程師無需再在效率或外形上做出妥協(xié)。

　　ISL9120提供1.8V-5.5V輸入電壓和1V-5.2V可調(diào)節(jié)輸出電壓，使設(shè)計(jì)工程師能夠靈活地滿足各種設(shè)計(jì)需求。其支持強(qiáng)制旁路模式的自適應(yīng)PFM工作模式和2A開關(guān)以高效率支持低負(fù)載和高負(fù)載電流，確保延長電池續(xù)航時(shí)間和減少熱量生成。該穩(wěn)壓器還以2.5V輸入電壓和 3.3V輸出電壓提供800mA電流。在系統(tǒng)處于無需穩(wěn)壓器的待機(jī)(stay alive)條件期間，其進(jìn)入強(qiáng)制旁路模式，這可減小功耗，使靜態(tài)電流小于0.5μA。

2 近距離審視可穿戴設(shè)備

　　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和電池充電塊等元件。圖2顯示了用于基礎(chǔ)可穿戴設(shè)備的典型電源系統(tǒng)。

　　首先，討論降壓-升壓穩(wěn)壓器如何為可穿戴系統(tǒng)增加價(jià)值。對需要約3.3V-3.6V輸入電壓的應(yīng)用，降壓-升壓穩(wěn)壓器高效地使用電壓范圍為4.375V-2.5V的廣泛新型化學(xué)電池。降壓-升壓穩(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)處于降壓-升壓模式，最后在Vbat =3.9V-4.5V時(shí)處于純降壓模式。

3 LDO獲得來自預(yù)穩(wěn)壓器的幫助

　　諸如Wi-Fi和顯示模塊等多種應(yīng)用由一個(gè)LDO供電，如果電力直接來自電池，則這些外設(shè)會產(chǎn)生大功率損耗，因?yàn)長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。將降壓-升壓轉(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(降壓-升壓輸出)功率損耗，而不是在直接用電池供電時(shí)會產(chǎn)生的更大功率損耗。

　　另外，增加更多穿戴設(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(gè)應(yīng)用同時(shí)工作時(shí)，短時(shí)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。這種行為非常有害，可通過將降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用作這些設(shè)備的預(yù)穩(wěn)壓器予以避免，例如液晶顯示器(LCD)和由LDO供電的應(yīng)用。

　　ISL9120降壓-升壓穩(wěn)壓器在低負(fù)載和高負(fù)載條件下均提供優(yōu)異的效率。如圖3所示，其自適應(yīng)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，從而延長電池續(xù)航時(shí)間，并通過消除對外部散熱器的需要而節(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)施多級限流方案，從350mA到2A分為32個(gè)等級。

　　如圖4所示，從一個(gè)等級到另一個(gè)等級的轉(zhuǎn)換由一個(gè)PRM脈沖串中的脈沖數(shù)量決定。在既定的峰值限流等級下，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)有限流的上限閾值時(shí)，限流轉(zhuǎn)換到下一個(gè)更高等級。同樣，如果脈沖數(shù)量達(dá)到現(xiàn)有限流的下限閾值，則器件將轉(zhuǎn)換到峰值限流的下一個(gè)較低等級。如果脈沖數(shù)量在最高限流時(shí)達(dá)到上限閾值，則限流將不再上升。ISL9120還支持強(qiáng)制旁路模式，這時(shí)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，降壓-升壓穩(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(shí)，施加強(qiáng)制旁路模式。在此條件下，使降壓-升壓穩(wěn)壓器進(jìn)入旁路模式對LDO基本沒有影響，還會為穩(wěn)壓器節(jié)省41μA的靜態(tài)電流消耗。

　　仔細(xì)觀察圖2可以看出，使用降壓-升壓穩(wěn)壓器的可穿戴設(shè)備應(yīng)用具有優(yōu)勢。例如，心率監(jiān)視器傳感系統(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來進(jìn)行準(zhǔn)確的心率監(jiān)視，因?yàn)檫@對可穿戴設(shè)備放置的依賴較小，并適用更廣泛的最終用戶。但該配置需要更大的電流消耗。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(shí)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)視器不工作時(shí)，可使ISL9120進(jìn)入旁路模式，這時(shí)只消耗0.5μA電流，直至被喚醒。

　　可穿戴LCD尺寸小并且通常使用一個(gè)白光LED背光燈。如圖2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。這使降壓-升壓穩(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，該系統(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。同樣，這時(shí)ISL9120用作預(yù)穩(wěn)壓器非常合適。

4 結(jié)論

　　現(xiàn)在的高性能應(yīng)用處理器和圖形處理器單元結(jié)合更高集成度和更小外形，以管理越來越多的可穿戴設(shè)備功能。面對這些不斷增多的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，高效的電源管理現(xiàn)在變得尤其重要。事實(shí)證明，支持自適應(yīng)限流PFM模式的新型降壓-升壓穩(wěn)壓器可滿足這些要求，從而延長電池續(xù)航時(shí)間，使下一代可穿戴設(shè)備能夠連續(xù)工作更長時(shí)間且工作溫度更低。

參考資料：

　　[1]了解有關(guān)ISL9120高效率降壓-升壓穩(wěn)壓器的更多信息

　　[2]觀看ISL9120視頻概覽

　　[3]下載ISL9120評估板