符合可穿戴紧凑型产品的微小电压调节器

内置于眼镜，手表，运动追踪器甚至衣服中的无线传感器有望彻底改变连接性，并构成物联网（IoT）的关键部分。一些分析师预测到2020年该行业的价值将达到惊人的1310亿美元。虽然可穿戴电子产品代表着领先的技术，但它只是空间受限设计的最新例证，可以挑战工程师。

紧凑型产品的强大功能供应设计师在特殊的压力下，因为他或她预计会提出一个强大的电路，依靠一个小电池，只占几十平方毫米，为处理器，内存，外围组件，甚至可能是一个能源供电 - 饥饿的显示器。幸运的是，工程师可以充分利用新一代微型DC/DC开关电压转换器（“稳压器”）之一。这些高度集成的电源模块适用于小尺寸，同时提供与更大型设备相媲美的效率和功能。本文将详细介绍为空间受限应用设计的开关稳压器。

使用小型电池

可穿戴式电子设备是Lilliputian工程中的一项练习。一个关键的设计标准是产品应该是不引人注目的。这限制了尺寸和重量，进而影响了电源的容量。一些产品，例如具有强大计算能力的智能手表和GPS，被设计为无线连接的“体域网”的“集线器”，并且可能使用消费者接受的锂离子电池，每隔几天需要补充一次。然而，购买者将不太可能容忍对构成个人网络外围元件的小型传感器（例如，心率监视器和速度和距离吊舱）进行充电或频繁更换电池。

工程师需要推出可以使用微型电池运行数月的传感器，例如Energizer的CR2032纽扣电池（锂/二氧化锰［Li/MnO2］电池，这是电子产品（如电子手表）的流行选择）。 Energizer的纽扣电池标称电压为3 V，标称容量为240 mAh，然后电池电压降至2 V以下。

假设心率监测器等传感器每天使用一小时，则计算简单（ 240 mAh/90 x 1 hr）显示电池的平均电流消耗必须低于2.7 mA，电池持续时间超过三个月。然而，实际的电池容量受到需求模式和放电率的严重影响。¹例如，几乎所有可穿戴传感器都采用低功耗无线技术，如蓝牙低功耗或ANT +，当无线电周期性传输时，会向电池施加脉冲消耗数据，以及为设备的其他电子设备供电的持续消耗（参见图1）。

图1：Dayton心率监测器采用蓝牙低能耗无线技术并可运行一年的CR2032电池（由Nordic Semiconductor提供）。图2说明了这种脉冲负载如何影响电池的“可访问”容量。在该示例中，占空比为1 ms ON/14 ms OFF，在通过120欧姆负载放电的2.7 V时需求为23 mA。从图中可以看出，对于这种情况，在电压降至2 V以下之前电池的可访问容量接近170而不是240 mAh。因此，如果电池持续三个月，心率监测器的平均电流消耗必须小于1.9 mA（170 mAh/90 x 1 hr）。

图2 ：CR2032纽扣电池在脉冲消耗下的放电曲线（由Energizer提供）。

耗尽能量

限制在平均电流小于2 mA且峰值电流消耗小于30 mA（约为可以从CR2032中提取的最大值，而不会严重影响容量²）在占用空间小的情况下，难以为可穿戴传感器设计电源。

管理功率预算最好在增量设计步骤中完成，这些步骤考虑物理硅，工作电压和模式，电压调节器，适应时钟速率，电路布局和软件等技术。每一步产生的结果都很小，但整体效果显着。但是，电源电路中最关键的部分是电源模块本身。在材料清单（BOM）预算的限制范围内，可以集成到芯片上的功能越多，可能的节能和电路板空间减少的可能性就越大。 （请参阅TechZone文章“延长锂离子电池寿命的设计技术”。）

在设计具有长电池寿命的便携式产品时，将开关稳压器与其控制器集成在一起的电源模块是一个很好的起点。与线性稳压器相比存在一些缺点，例如，增加的电磁干扰（EMI），更高的成本和更高的设计复杂性，但是当节能是主要考虑因素时，开关稳压器的效率高于其他缺点。供应商提供各种非常紧凑和功率节省的芯片，专门针对便携式设计。德州仪器（TI）提供TPS62240，这是一款针对电池供电的便携式应用而优化的高效同步降压（“降压”）开关稳压器。

TPS62240工作在2.25 MHz固定开关频率并进入省电模式在轻负载电流模式下，在整个负载电流范围内保持高效率（参见TechZone文章“DC/DC开关电压转换器的脉冲频率调制的优点”）。此外，通过进入“休眠”模式，稳压器的电流消耗可降至1μA以下。

TPS62240的高工作频率允许使用更小的电感器和电容器，有助于减少电源尺寸。该芯片本身采用5引脚TSOT23和6引脚2 x 2 mm SON封装。该芯片的输入电压范围为2至3 V，输出电流超过2 mA，效率保持在90％以上（见图3）。

图3：德州仪器公司的TPS62240保持高效率宽输出电流范围。

凌力尔特公司为小型便携式设备提供一系列开关稳压器。经过验证的解决方案是该公司的LTC3549降压开关稳压器，采用2 x 3 x 0.75 mm DFN封装。与TI芯片类似，凌力尔特公司的产品在2.25 MHz的固定频率下工作，以减小外部电感和输入输出电容的尺寸。

LTC3549可在1.6至5.5 V输入范围内工作，并且可以提供高达250 mA的输出电流（VIN = 1.8 V，VOUT = 1.2 V）。该器件采用“突发模式”技术，可在轻负载时提高效率并延长电池寿命。在突发模式操作期间，电源电流降至50μA，在“关闭”模式下，电源电流降至1μA。效率峰值为93％（VIN = 1.8 V，VOUT = 1.5 V，负载电流= 20 mA）。

针对空间受限的便携式应用，Maxim Integrated提供MAX1672。该产品是降压开关电压调节器，结合线性稳压器，该公司声称有助于减小外部电感器的尺寸并滤除输出电压中的纹波。该器件采用6 x 5 mm QSOP封装，可接受1.8至11 V的输入电压，同时使用两个外部电阻提供1.25至5.5 V的输出。典型效率为85％。该芯片可提供高达300 mA的电流（VIN = 2.5 V，VOUT = 5 V）。

可扩展的可穿戴电子产品市场为电子设计人员提供了一个利润丰厚的机会。通过将产品的电源基于各种经过验证的开关稳压器，工程师可以充分利用小电池的容量，同时确保其电路设计能够挤入消费者期望的紧凑外形。