內(nèi)置于眼鏡，手表，運(yùn)動(dòng)追蹤器甚至衣服中的無(wú)線(xiàn)傳感器有望徹底改變連接性，并構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的關(guān)鍵部分。一些分析師預(yù)測(cè)到2020年該行業(yè)的價(jià)值將達(dá)到驚人的1310億美元。雖然可穿戴電子產(chǎn)品代表著領(lǐng)先的技術(shù)，但它只是空間受限設(shè)計(jì)的最新例證，可以挑戰(zhàn)工程師。

緊湊型產(chǎn)品的強(qiáng)大功能供應(yīng)設(shè)計(jì)師在特殊的壓力下，因?yàn)樗蛩A(yù)計(jì)會(huì)提出一個(gè)強(qiáng)大的電路，依靠一個(gè)小電池，只占幾十平方毫米，為處理器，內(nèi)存，外圍組件，甚至可能是一個(gè)能源供電 - 饑餓的顯示器。幸運(yùn)的是，工程師可以充分利用新一代微型DC/DC開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器（“穩(wěn)壓器”）之一。這些高度集成的電源模塊適用于小尺寸，同時(shí)提供與更大型設(shè)備相媲美的效率和功能。本文將詳細(xì)介紹為空間受限應(yīng)用設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

使用小型電池

可穿戴式電子設(shè)備是Lilliputian工程中的一項(xiàng)練習(xí)。一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)品應(yīng)該是不引人注目的。這限制了尺寸和重量，進(jìn)而影響了電源的容量。一些產(chǎn)品，例如具有強(qiáng)大計(jì)算能力的智能手表和GPS，被設(shè)計(jì)為無(wú)線(xiàn)連接的“體域網(wǎng)”的“集線(xiàn)器”，并且可能使用消費(fèi)者接受的鋰離子電池，每隔幾天需要補(bǔ)充一次。然而，購(gòu)買(mǎi)者將不太可能容忍對(duì)構(gòu)成個(gè)人網(wǎng)絡(luò)外圍元件的小型傳感器（例如，心率監(jiān)視器和速度和距離吊艙）進(jìn)行充電或頻繁更換電池。

工程師需要推出可以使用微型電池運(yùn)行數(shù)月的傳感器，例如Energizer的CR2032紐扣電池（鋰/二氧化錳［Li/MnO2］電池，這是電子產(chǎn)品（如電子手表）的流行選擇）。 Energizer的紐扣電池標(biāo)稱(chēng)電壓為3 V，標(biāo)稱(chēng)容量為240 mAh，然后電池電壓降至2 V以下。

假設(shè)心率監(jiān)測(cè)器等傳感器每天使用一小時(shí)，則計(jì)算簡(jiǎn)單（ 240 mAh/90 x 1 hr）顯示電池的平均電流消耗必須低于2.7 mA，電池持續(xù)時(shí)間超過(guò)三個(gè)月。然而，實(shí)際的電池容量受到需求模式和放電率的嚴(yán)重影響。1例如，幾乎所有可穿戴傳感器都采用低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)，如藍(lán)牙低功耗或ANT +，當(dāng)無(wú)線(xiàn)電周期性傳輸時(shí)，會(huì)向電池施加脈沖消耗數(shù)據(jù)，以及為設(shè)備的其他電子設(shè)備供電的持續(xù)消耗（參見(jiàn)圖1）。

圖1：Dayton心率監(jiān)測(cè)器采用藍(lán)牙低能耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)并可運(yùn)行一年的CR2032電池（由Nordic Semiconductor提供）。圖2說(shuō)明了這種脈沖負(fù)載如何影響電池的“可訪(fǎng)問(wèn)”容量。在該示例中，占空比為1 ms ON/14 ms OFF，在通過(guò)120歐姆負(fù)載放電的2.7 V時(shí)需求為23 mA。從圖中可以看出，對(duì)于這種情況，在電壓降至2 V以下之前電池的可訪(fǎng)問(wèn)容量接近170而不是240 mAh。因此，如果電池持續(xù)三個(gè)月，心率監(jiān)測(cè)器的平均電流消耗必須小于1.9 mA（170 mAh/90 x 1 hr）。

圖2 ：CR2032紐扣電池在脈沖消耗下的放電曲線(xiàn)（由Energizer提供）。

耗盡能量

限制在平均電流小于2 mA且峰值電流消耗小于30 mA（約為可以從CR2032中提取的最大值，而不會(huì)嚴(yán)重影響容量2）在占用空間小的情況下，難以為可穿戴傳感器設(shè)計(jì)電源。

管理功率預(yù)算最好在增量設(shè)計(jì)步驟中完成，這些步驟考慮物理硅，工作電壓和模式，電壓調(diào)節(jié)器，適應(yīng)時(shí)鐘速率，電路布局和軟件等技術(shù)。每一步產(chǎn)生的結(jié)果都很小，但整體效果顯著。但是，電源電路中最關(guān)鍵的部分是電源模塊本身。在材料清單（BOM）預(yù)算的限制范圍內(nèi)，可以集成到芯片上的功能越多，可能的節(jié)能和電路板空間減少的可能性就越大。 （請(qǐng)參閱TechZone文章“延長(zhǎng)鋰離子電池壽命的設(shè)計(jì)技術(shù)”。）

在設(shè)計(jì)具有長(zhǎng)電池壽命的便攜式產(chǎn)品時(shí)，將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器與其控制器集成在一起的電源模塊是一個(gè)很好的起點(diǎn)。與線(xiàn)性穩(wěn)壓器相比存在一些缺點(diǎn)，例如，增加的電磁干擾（EMI），更高的成本和更高的設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但是當(dāng)節(jié)能是主要考慮因素時(shí)，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率高于其他缺點(diǎn)。供應(yīng)商提供各種非常緊湊和功率節(jié)省的芯片，專(zhuān)門(mén)針對(duì)便攜式設(shè)計(jì)。德州儀器（TI）提供TPS62240，這是一款針對(duì)電池供電的便攜式應(yīng)用而優(yōu)化的高效同步降壓（“降壓”）開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

TPS62240工作在2.25 MHz固定開(kāi)關(guān)頻率并進(jìn)入省電模式在輕負(fù)載電流模式下，在整個(gè)負(fù)載電流范圍內(nèi)保持高效率（參見(jiàn)TechZone文章“DC/DC開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的脈沖頻率調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)”）。此外，通過(guò)進(jìn)入“休眠”模式，穩(wěn)壓器的電流消耗可降至1μA以下。

TPS62240的高工作頻率允許使用更小的電感器和電容器，有助于減少電源尺寸。該芯片本身采用5引腳TSOT23和6引腳2 x 2 mm SON封裝。該芯片的輸入電壓范圍為2至3 V，輸出電流超過(guò)2 mA，效率保持在90％以上（見(jiàn)圖3）。

圖3：德州儀器公司的TPS62240保持高效率寬輸出電流范圍。

凌力爾特公司為小型便攜式設(shè)備提供一系列開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的解決方案是該公司的LTC3549降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，采用2 x 3 x 0.75 mm DFN封裝。與TI芯片類(lèi)似，凌力爾特公司的產(chǎn)品在2.25 MHz的固定頻率下工作，以減小外部電感和輸入輸出電容的尺寸。

LTC3549可在1.6至5.5 V輸入范圍內(nèi)工作，并且可以提供高達(dá)250 mA的輸出電流（VIN = 1.8 V，VOUT = 1.2 V）。該器件采用“突發(fā)模式”技術(shù)，可在輕負(fù)載時(shí)提高效率并延長(zhǎng)電池壽命。在突發(fā)模式操作期間，電源電流降至50μA，在“關(guān)閉”模式下，電源電流降至1μA。效率峰值為93％（VIN = 1.8 V，VOUT = 1.5 V，負(fù)載電流= 20 mA）。

針對(duì)空間受限的便攜式應(yīng)用，Maxim Integrated提供MAX1672。該產(chǎn)品是降壓開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，結(jié)合線(xiàn)性穩(wěn)壓器，該公司聲稱(chēng)有助于減小外部電感器的尺寸并濾除輸出電壓中的紋波。該器件采用6 x 5 mm QSOP封裝，可接受1.8至11 V的輸入電壓，同時(shí)使用兩個(gè)外部電阻提供1.25至5.5 V的輸出。典型效率為85％。該芯片可提供高達(dá)300 mA的電流（VIN = 2.5 V，VOUT = 5 V）。

可擴(kuò)展的可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)為電子設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)利潤(rùn)豐厚的機(jī)會(huì)。通過(guò)將產(chǎn)品的電源基于各種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，工程師可以充分利用小電池的容量，同時(shí)確保其電路設(shè)計(jì)能夠擠入消費(fèi)者期望的緊湊外形。