用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的可穿戴設備和其他設備的電力傳輸環(huán)境非常復雜。由于需要盡可能節(jié)省能量，因此功耗變化很大。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)設備大部分時間都處于睡眠狀態(tài)，因為這樣可以提供最低的功耗 - 只有在需要進行測量或傳輸數(shù)據(jù)時才會喚醒。即使喚醒模式之間的差異也很大。

例如，只有少數(shù)子系統(tǒng)可能需要喚醒才能從定期讀取傳感器的A/D轉換器讀取樣本。但是，當通過無線鏈路（如Bluetooth Smart）發(fā)送數(shù)據(jù)時，從處理器到無線前端的大部分設備都需要處于活動狀態(tài)并處于相對較高的功耗狀態(tài)。

雖然藍牙Smart具有降低整體能耗的功能，低功耗模式仍需要15 mA電流，高數(shù)據(jù)速率模式需要30 mW。支持這些不同模式的需要意味著PMIC需要能夠從超低能量靜態(tài)狀態(tài)快速切換到提供高電流幾毫秒的狀態(tài)，然后同樣快速地再次關閉系統(tǒng)。這對電力傳輸提出了嚴格的要求。

當處理器從其最低功耗睡眠狀態(tài)之一轉移到活動模式時，電流差異需要快速啟動時間和電源傳輸子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關和集線器中使用的處理器在功耗方面也存在很大差異。盡管他們在睡眠模式下花費的時間更少，但為這些應用設計的處理器通常使用動態(tài)時鐘和電壓轉換策略，以便在此時將功耗調整到工作負載。因此，電流可能會有很大的變化，模式之間的轉換會很快發(fā)生。

圖1：典型通信的方框圖 - 基于TI功率和MCU組件的中心物聯(lián)網(wǎng)或可穿戴設備。

快速瞬態(tài)響應的要求可以擴展傳統(tǒng)的基于脈沖寬度調制的DC/DC轉換器閉環(huán)控制策略的功能（PWM ）。通常，PWM電路從參考電壓中減去轉換器輸出電壓的縮放版本以建立小的誤差信號。將該誤差信號與由振蕩器驅動的常規(guī)斜坡信號進行比較，該振蕩器通常以固定頻率運行。比較器輸出一個操作電源開關的數(shù)字輸出。

當電路輸出電壓發(fā)生變化時，誤差信號也會發(fā)生變化，從而導致比較器閾值發(fā)生變化。因此，輸出脈沖寬度也會改變。此占空比變化然后移動輸出電壓以將誤差信號減小到零，從而完成控制環(huán)路。

基本PWM策略有許多優(yōu)點，但為了確保穩(wěn)定性，閉環(huán)控制帶寬為通常保持在相對較低的頻率 - 通常比PWM開關頻率低十倍。因此，瞬態(tài)響應可能會受到影響。

滯后控制提供了一種響應速度更快的替代方案。最簡單的形式是不使用PWM，控制器是兩個輸入端之間具有小滯后的比較器。一個輸入是轉換器的輸出電壓，另一個是電壓參考。當輸出電壓因負載需求上升而下降時，比較器將產(chǎn)生一個高輸出信號，激活主輸出晶體管的柵極驅動器，為負載供電。這將提高輸出電壓，直到它超過參考值所允許的滯后量。降壓比較器輸出然后關閉柵極驅動器。

通過任何環(huán)路比較或誤差放大器來減慢信號，輸出電壓變化之間的延遲僅是通過比較器的傳播速度和門司機。因此，遲滯控制策略提供非?？焖俚乃矐B(tài)響應。另一個優(yōu)點是滯后控制自然支持負載電流的廣泛變化，從亞毫安范圍到超過1的峰值。

圖2：遲滯功率控制器的電路圖

這種靈活性是以開關頻率的巨大變化為代價的，這可能導致電磁兼容性（EMC）問題并導致諧振電源網(wǎng)絡周圍的無源電路。輸出電壓的精度也可能降低，這對于當今的電壓敏感微控制器和傳感器來說可能是個問題。

混合轉換器混合使用這兩種策略，滯后比較器用于控制輸出典型的深度和低度睡眠模式下的低負載導軌，一旦負載電流超過設定的閾值，就會進入傳統(tǒng)的PWM模式，以提供高效率和可預測的頻率響應。該策略的一個示例是由德州儀器（Texas Instruments）制造的LM2650M同步降壓DC/DC轉換器，其工作在3A至毫安負載范圍。該器件還具有邏輯控制關斷模式，其輸入電源最多可吸收25μA電流。

LM2650采用固定頻率PWM和同步整流，可在較高負載下實現(xiàn)高效率。在許多應用中，對于大約1 A的負載，效率超過95％，對于從0.2 A到2 A的中等到重負載，效率超過90％。在較低負載下，器件進入遲滯“睡眠”模式。當負載超過單獨編程的電流閾值時，LM2650會自動進入和退出休眠模式，以便使用外部電阻為模式開關本身提供一定程度的遲滯。

在遲滯模式下，LM2650使用一個內置磁滯為30 mV的比較器，中心電壓為1.25 V.由于遲滯模式僅在低負載下工作，因此開關頻率在幾赫茲到幾千赫茲的數(shù)量級。可選的軟啟動功能可在啟動時限制輸入電源的電流浪涌，并提供對多個電源進行排序的簡單方法。

在噪聲和遲滯模式操作的功耗節(jié)省之間存在權衡。為固定頻率的EMC目的過濾更容易。因此，邏輯輸入允許用戶覆蓋自動休眠功能，并將LM2650保持在PWM模式，而不管負載水平如何。

專為低噪聲物聯(lián)網(wǎng)設備（如健身可穿戴設備）而設計，TI TPS65720可以也可以使用內置I 2 C接口提供的命令在低功耗遲滯模式下工作或強制進入固定頻率PWM模式。然而，如果系統(tǒng)不對噪聲敏感的模擬輸入進行采樣或操作無線電接口，那么低噪聲性能在低功耗模式下可能不是一個問題 - 來自本地高頻干擾的能量尖峰可能很重要。無論何時需要對噪聲敏感的操作，通過使用系統(tǒng)軟件強制器件進入低噪聲PWM模式，設計人員可以優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設備的整體能效。

PWM模式運行于2.25 MHz允許使用比核心開關頻率更低的DC/DC轉換器更小的電感器和電容器。結果是，如果典型的0402封裝用于電阻器和電容器，則外部元件的總占位面積可以減小到小于11 mm 2 的面積。高頻還提供更好的瞬態(tài)響應。開關頻率允許使用高Q帶通濾波器來抑制寄生頻率。

該IC還提供200 mA低壓降穩(wěn)壓器（LDO）輸出，其輸入電壓范圍為1.8和5.6 V，允許它從降壓轉換器的輸出或直接從系統(tǒng)電壓供電。對于器件僅運行最基本功率要求的情況，IC支持小于1μA的關斷電流，例如為倒計時到下一個傳感器輸入采樣周期的實時時鐘供電。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們可以期待更加關注DC/DC轉換器中低功耗模式的瞬態(tài)性能和效率，但德州儀器的LM2650和TPS65720等器件為這類設計提供了有效的支持。