LDO

Увеличение времени работы батареи в сверхмалых устройствах

Один индуктор (дроссель) в схеме DC/DC-преобразования с несколькими выходными напряжениями может обеспечить высокую эффективность батареи, необходимую для увеличения времени работы сверхмалой бытовой электроники.
1210
В избранное

При проектировании приборов, носимых с наушниками, учитывается ключевое требование пользователя – длительное время работы батареи. Никто не захочет прерываться и перезаряжать батареи наушников во время длительной прогулки или увлекательной работы дома. Если рассмотреть медицинский прибор, находящийся на складе - вряд ли вы хотели бы, чтобы батарея перестала работать, прежде чем устройство попадет в руки пользователя.

Задача увеличения времени работы от батареи усложняется для сверхмалых электронных устройств, где размер устройства ограничивает емкость батареи. Одним из путей увеличения времени работы является использование специального переключающегося регулятора: однокатушечного многовыходного (в оригинале - single-inductor multiple-output (SIMO)) преобразователя питания с малыми токами утечки на выходах. Внимательное рассмотрение архитектуры SIMO подтверждает выгоду ее применения в данных типах устройств. Типовая система управления питанием для сверхмалого носимого в ухе устройства (электронного слухового аппарата) состоит из ИМС управления питанием (PMIC), которая содержит устройство заряда батареи, понижающий DC/DC-преобразователь и регулятор c низкими потерями (LDO) для питания сенсоров – см. рисунок 1. Еще два LDO часто используются для питания микроконтроллера, драйвера Bluetooth и драйвера аудио. На рисунке 1 показана обобщенная схема блока питания сверхмалого устройства.

Обобщенная схема блока питания сверхмалого устройства

Рис.1. Обобщенная схема блока питания сверхмалого устройства

Поскольку в этой архитектуре LDO используются для трех выходов, полный КПД такой типовой реализации составляет лишь 69.5%. На рисунке 2 показано типовое распределение мощности в конструкции с LDO регуляторами.

Типовое распределение мощности в конструкции с LDO регуляторами

Рис.2. Типовое распределение мощности в конструкции с LDO регуляторами

Архитектура SIMO позволяет повысить эффективность в несколько раз. Используя в качестве примера импульсные понижающие-повышающие конверторы типа SIMO, проиллюстрируем, как эта архитектура работает. В традиционной архитектуре (в контексте использования переключателей вместо LDO) для повышения эффективности каждому переключающему регулятору нужен отдельный дроссель для каждого выхода. Таким образом, каждая шина электропитания должна иметь отдельный дроссель. Дроссели обычно большие и дорогие. От их размера зависит необходимая токовая нагрузка (Isat - общий ток насыщения дросселя). Поэтому проектировщики сверхмалых электронных устройств хотят уменьшить количество дросселей.

В компактном решении можно использовать линейные регуляторы, но у них - немалые потери мощности. Преимуществом архитектуры SIMO является возможность сокращения количества необходимых дросселей с учетом сохранения ожидаемого КПД импульсного преобразователя. Минимизируя количество дросселей, SIMO также уменьшает общую площадь платы по сравнению со схемой, включающей несколько индукторов. На рисунке 3 показано типовое распределение мощности в гибридной конструкции, использующей LDO и SIMO. Данная конструкция позволяет сократить общие потери за счет уменьшения мощности, передаваемой через LDO.

Типовое распределение мощности в гибридной конструкции с LDO и SIMO

Рис.3. Типовое распределение мощности в гибридной конструкции с LDO и SIMO

КПД системы питания увеличивается посредством совмещения времени работы дросселя для каждого выхода и использования переключателей с низким уровнем потерь. На рисунке 4 показана базовая архитектура функционирования одного дросселя L для трех выходов с различными напряжениями: SBB0, SBB1 и SBB2.

В данной конструкции есть три независимо программируемых шины питания с одним дросселем.  Такое решение SIMO увеличивает доступную площадь монтажа и обеспечивает высокий КПД. Также актуальна архитектура SIMO только с понижающим конвертером. Но если выходное напряжение конвертера приблизится к напряжению батареи, то длительное использование дросселя повлияет на другие каналы. Как показывает практика, схемы с повышающим-понижающим конвертером SIMO почти всегда лучше других решений: дроссель используется эффективнее, потому что требуется меньше времени для обслуживания каждого канала.

Интересно, как SIMO с одним дросселем обеспечивает высокий КПД на каждом выходе? Важно, что новая SIMO остается переключающей архитектурой, которая поддерживает низкие потери индуктивного преобразователя с учетом почти нулевых падений напряжения на переключателях. Данная практика сохраняет рассеивание мощности на низком уровне. Новизна функций SIMO с повышающим-понижающим конвертером заключается в возможности одновременной работы дросселя на каждом выходе (SBB0, SBB1 и SBB2) и использовании переключателей с низким уровнем потерь.

Компромиссы при конструировании слуховых устройств

Устройства компенсации потерь слуха отличаются от стандартных стереогарнитур типа Bluetooth. Например, слуховые устройства интегрируют один или несколько оптических/инерционных MEMS-датчиков. Посредством использования фотоплетизмографии (как в умных часах от FitBit и Apple) интегрированный оптический датчик может измерить насыщенность крови кислородом, частоту сердечных сокращений и другие основные показатели жизнедеятельности. Однако проблема состоит в том, что для генерации светового потока достаточной мощности светодиоды фотоплетизмографа должны работать в диапазоне напряжений 4…5 В – выше, чем можно получить от литиевой батареи. Это ставит разработчиков перед трудным выбором: добавить в систему повышающий DC/DC-конвертер, т.е. другую ИМС - или другой дроссель и большее количество конденсаторов, занимающих определенные площадь и объем; согласиться с более высоким рассеянием мощности, нежелательным для миниатюрных устройств.

Архитектура DC/DC-конвертера типа SIMO позволяет найти решение без сомнительных компромиссов. Эта архитектура использует один из выходов, получая нужное высокое напряжение (до 5,2 В) для питания светодиодов и оптимизации других параметров сенсора фотоплетизмографа.

Один из параметров дросселя – ток насыщения (Isat) – определяет эффективность DC/DC-конвертера как базового устройства. На первый взгляд может показаться, что архитектура SIMO не предлагает преимуществ по сравнению с отдельными конвертерами. Однако в отличие от использования отдельных DC/DC-конвертеров, один дроссель в архитектуре SIMO обеспечивает следующие значительные преимущества:

  • Оптимальное использование объема (когда система позволяет это).
  • Снижение цены устройства благодаря использованию одного индуктора и уменьшению площади на плате, занимаемой дросселями.
  • Мультиплексирование во времени. Часто различные функции не используются одновременно. Когда одна система выключена, а другая включена, каждая из них может потреблять собственный Isat, т.е. они совместно используют дроссель. Этот подход полезен для событий, происходящих последовательно, с использованием различных напряжений линии питания. Например, для систем с Bluetooth, где данные могут быть загружены прежде, чем активируется передатчик Bluetooth.
  • IRMS (номинальный ток дросселя). Даже когда каналы не имеют мультиплексирования во времени, они не всегда потребляют пиковую энергию одновременно, что может уменьшить число общих требований к Isat дросселя.

В архитектуре SIMO есть ряд проблем, но их можно решить посредством тщательной реализации проекта. Повышенные пульсации напряжений – одна из таких проблем. У дросселя, обслуживающего несколько энергетических блоков, величина пульсаций напряжений будет выше. Но увеличение емкости выходных конденсаторов может уменьшить эти пульсации, и, по сравнению с традиционными архитектурами, конфигурации SIMO могут давать больше перекрестных помех.

Примером реализации SIMO с компромиссным решением является ИМС MAX77650 от Maxim Integrated. Она содержит микромощный SIMO DC/DC-конвертер, реализующий три переключающихся регулятора с использованием одного дросселя.  Работа конвертера на высокой частоте позволяет ИМС использовать миниатюрный дроссель, экономящий площадь платы. ИМС размещена в корпусе размером 2.75 x 2.15 x 0.8 мм. В MAX77650 интегрированы зарядное устройство батареи и регуляторы для питания датчика (3.3 В), микроконтроллера (1.2 В), Bluetooth и аудио (1.85 В). В дежурном режиме потребление составляет всего 300 нA, а в активном режиме 5.6 мкA (без нагрузки). Полный системный КПД составляет 78.4%, как показано в таблице 1.

Таблица 1.  Сравнение SIMO и стандартных подходов

Параметр

Традиционное

решение

 SIMO

Преимущество

SIMO

Ток от Li+ батареи

49 мА

43.4 мА

SIMO сохраняет 5.6 мА

КПД системы

69.5 %

78.4 %

SIMO эффективнее на 8.9%

Минимум напряжения

Li+ батареи

минимум 3.4 В

для выхода LDO = 3.4 В

2.7 В

SIMO позволяет cильнее

разрядить батарею, использовать весь ресурс батареи

LDO, встроенный в MAX77650, обеспечивает снижение пульсаций для чувствительных к шуму приложений, таких как аудио. Дополнительные резисторы (24 Ом), включенные последовательно с линией последовательных данных (SDA) и линией последовательной синхронизации (SCL), минимизируют перекрестные помехи и отклонение от номинала на сигналах шины, одновременно защищая входы устройства от высоковольтных пиков на линиях шин.

Для увеличения времени работы от батареи каждый блок в этих регуляторах имеет низкий ток утечки (1 мкА на выход). MAX77650 всегда работает в прерывистом режиме (DCM). Таким образом, ток в дросселе стремится к нулю в конце каждого цикла, что позволяет уменьшить перекрестные помехи и предотвратить паразитную генерацию.

В этой архитектуре преобразователь имеет схему управления SIMO с собственным контроллером, гарантирующим своевременное обслуживание всех выходов. Если нет необходимости в обслуживании каждого регулятора – конечный автомат переводит контроллер в режим низкого потребления. Когда контроллер распознает, что регулятору нужно обслуживание, он заряжает дроссель до достижения предела пикового тока. Затем запасенная энергия дросселя разряжается в соответствующий выход до тех пор, пока ток не достигнет нуля.

Журнал: powerelectronictips.com
Производитель: Maxim Integrated
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
MAX77650AEWV+T
MAX77650AEWV+T
Maxim Integrated
Арт.: 2195343 PDF RD
Доступно: 22888 шт.
Выбрать
условия
поставки
ULTRA-LOW POWER PMIC FOR WEARABLE DEVICE
MAX77650AEWV+T
22888 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()