內(nèi)置于眼鏡，手表，運動追蹤器甚至衣服中的無線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)測到2020年該行業(yè)的價值將達到驚人的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)計的最新例證，可以挑戰(zhàn)工程師。

緊湊型產(chǎn)品的強大功能供應(yīng)設(shè)計師在特殊的壓力下，因為他或她預(yù)計會提出一個強大的電路，依靠一個小電池，只占幾十平方毫米，為處理器，內(nèi)存，外圍組件，甚至可能是一個能源供電 - 饑餓的顯示器。幸運的是，工程師可以充分利用新一代微型DC/DC開關(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，同時提供與更大型設(shè)備相媲美的效率和功能。本文將詳細介紹為空間受限應(yīng)用設(shè)計的開關(guān)穩(wěn)壓器。

使用小型電池

可穿戴式電子設(shè)備是Lilliputian工程中的一項練習。一個關(guān)鍵的設(shè)計標準是產(chǎn)品應(yīng)該是不引人注目的。這限制了尺寸和重量，進而影響了電源的容量。一些產(chǎn)品，例如具有強大計算能力的智能手表和GPS，被設(shè)計為無線連接的“體域網(wǎng)”的“集線器”，并且可能使用消費者接受的鋰離子電池，每隔幾天需要補充一次。然而，購買者將不太可能容忍對構(gòu)成個人網(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的紐扣電池標稱電壓為3 V，標稱容量為240 mAh，然后電池電壓降至2 V以下。

假設(shè)心率監(jiān)測器等傳感器每天使用一小時，則計算簡單（ 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)時間超過三個月。然而，實際的電池容量受到需求模式和放電率的嚴重影響。1例如，幾乎所有可穿戴傳感器都采用低功耗無線技術(shù)，如藍牙低功耗或ANT +，當無線電周期性傳輸時，會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（參見圖1）。

圖1：Dayton心率監(jiān)測器采用藍牙低能耗無線技術(shù)并可運行一年的CR2032電池（由Nordic Semiconductor提供）。圖2說明了這種脈沖負載如何影響電池的“可訪問”容量。在該示例中，占空比為1 ms ON/14 ms OFF，在通過120歐姆負載放電的2.7 V時需求為23 mA。從圖中可以看出，對于這種情況，在電壓降至2 V以下之前電池的可訪問容量接近170而不是240 mAh。因此，如果電池持續(xù)三個月，心率監(jiān)測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（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，而不會嚴重影響容量2）在占用空間小的情況下，難以為可穿戴傳感器設(shè)計電源。

管理功率預(yù)算最好在增量設(shè)計步驟中完成，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。 （請參閱TechZone文章“延長鋰離子電池壽命的設(shè)計技術(shù)”。）

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

TPS62240工作在2.25 MHz固定開關(guān)頻率并進入省電模式在輕負載電流模式下，在整個負載電流范圍內(nèi)保持高效率（參見TechZone文章“DC/DC開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的脈沖頻率調(diào)制的優(yōu)點”）。此外，通過進入“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2 mA，效率保持在90％以上（見圖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)備提供一系列開關(guān)穩(wěn)壓器。經(jīng)過驗證的解決方案是該公司的LTC3549降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，采用2 x 3 x 0.75 mm DFN封裝。與TI芯片類似，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)，可在輕負載時提高效率并延長電池壽命。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，負載電流= 20 mA）。

針對空間受限的便攜式應(yīng)用，Maxim Integrated提供MAX1672。該產(chǎn)品是降壓開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，結(jié)合線性穩(wěn)壓器，該公司聲稱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，同時使用兩個外部電阻提供1.25至5.5 V的輸出。典型效率為85％。該芯片可提供高達300 mA的電流（VIN = 2.5 V，VOUT = 5 V）。

可擴展的可穿戴電子產(chǎn)品市場為電子設(shè)計人員提供了一個利潤豐厚的機會。通過將產(chǎn)品的電源基于各種經(jīng)過驗證的開關(guān)穩(wěn)壓器，工程師可以充分利用小電池的容量，同時確保其電路設(shè)計能夠擠入消費者期望的緊湊外形。