對于正在步入老年的嬰兒潮一代人，可穿戴設備來(lái)得正是時(shí)候，因為準確的醫療監測有助于應對嚴重的健康問(wèn)題。由于用戶(hù)對設備性能的期待日益提升，系統設計工程師必須開(kāi)發(fā)更小、更高效和更經(jīng)濟的解決方案，以便讓可穿戴設備能夠戴在更多人的手腕之上。

 

可穿戴設備種類(lèi)繁多，例如，三星Gear和Apple Watch，可提供網(wǎng)絡(luò )連接、高質(zhì)量顯示屏和諸多特性；另外還有單純用于健康監測的可穿戴設備，如Fitbit Flex和Jawbone UP4，這兩款產(chǎn)品都對數據收集和健身活動(dòng)跟蹤功能進(jìn)行了優(yōu)化。在可穿戴設備如此受歡迎的情況下，消費者最關(guān)心的問(wèn)題之一是這些設備一次充電能夠使用多長(cháng)時(shí)間。電池續航時(shí)間是消費者決定購買(mǎi)哪種可穿戴設備的一個(gè)關(guān)鍵考慮因素。

 

本文介紹了典型可穿戴設備的系統模塊設計，分析了升壓-降壓穩壓器如何能提高功率效率，以延長(cháng)電池續航時(shí)間?？纱┐髟O備系統設計工程師將了解，一種新的穩壓器如何使用自適應電流限制脈沖頻率調制（PFM）和強制旁路模式，提供從降壓到升壓的平穩轉換，以防止可穿戴設備應用中出現信號毛刺。輕負載效率和快瞬態(tài)響應在這些應用中至關(guān)重要。

 

 

典型可穿戴設備架構中包括微處理器、內存、顯示器、傳感器、通信IC和電池充電塊等組件。根據具體的系統應用，需要使用至少3個(gè)DC-DC轉換器和3-5個(gè)LDO低壓差線(xiàn)性穩壓器。圖1顯示了用于基礎可穿戴設備的典型電源系統。

 

圖1. 可穿戴設備典型電源解決方案系統框圖

 

首先，我們將討論升壓-降壓穩壓器如何為可穿戴系統增加價(jià)值。對于需要約3.3V-3.6V輸入電壓的應用，升壓-降壓穩壓器可高效地使用電壓范圍為4.375V-2.5V的廣泛新型化學(xué)電池。升壓-降壓穩壓器在電池電壓（Vbat）為2.5V-3V時(shí)處于純升壓模式，然后在Vin≥3V和<3.9V時(shí)處于升壓-降壓模式，最后在Vbat =3.9V-4.5V時(shí)處于純降壓模式。

 

 

諸如Wi-Fi和顯示模塊等多種應用都由一個(gè)LDO供電，如果電力直接來(lái)自電池，則這些外設會(huì )產(chǎn)生大量功率損耗，因為L(cháng)DO的效率等于Vout除以Vin。在較高負載時(shí)，LDO的功率損耗更高并產(chǎn)生更多熱量。將升壓-降壓轉換器用作LDO的預穩壓器有助于提高系統效率。此外，利用該配置，LDO始終經(jīng)歷恒定Vin（升壓-降壓輸出）功率損耗，可避免直接用電池供電而產(chǎn)生較大的功率損耗。

 

另外，增加更多的可穿戴設備特性還要求更快的處理速度，這推動(dòng)了對更高效的電源管理的需要。當多個(gè)應用同時(shí)工作時(shí)，短時(shí)大電流脈沖會(huì )造成局部節點(diǎn)電壓降至建議輸入范圍以下，并會(huì )造成應用關(guān)斷。這種行情況非常不利，可通過(guò)將升壓-降壓轉換器用作這些設備的預穩壓器來(lái)避免，例如液晶顯示器（LCD）和由LDO供電的應用。

 

 

ISL9120升壓-降壓穩壓器在低負載和高負載條件下都能提供優(yōu)異的效率。如圖2所示，其自適應脈沖頻率調制（PFM）工作模式可幫助它在較高負載時(shí)實(shí)現高達98%的效率，在較低負載條件時(shí)達到86%以上的效率。這可確保降低功耗和減少熱量生成，從而延長(cháng)電池續航時(shí)間，并通過(guò)消除對外部熱沉的需要而節省電路板空間。為在輸出電流范圍上實(shí)現效率優(yōu)化，ISL9120實(shí)施多級電流限制方案，從350mA到2A分為32個(gè)等級。

 

圖2. ISL9120升壓-降壓穩壓器效率曲線(xiàn)圖

 

如圖3所示，從一個(gè)等級到另一個(gè)等級的轉換，由一個(gè)PFM脈沖串中的脈沖數量決定。在既定的峰值電流限制水平下，脈沖數量會(huì )隨著(zhù)輸出電流的增加而增加。當脈沖數量達到現有電流限制的上限閾值時(shí)，電流限制轉換到下一個(gè)更高水平。同樣，如果脈沖數量達到現有電流限制的下限閾值，則器件將轉換到峰值電流限制的下一個(gè)較低水平。如果脈沖數量在最高電流限制時(shí)達到上限閾值，則電流限制將不再上升。ISL9120還支持強制旁路模式，這時(shí)無(wú)需輸出調節。其系統待機模式實(shí)現了小于0.5μA的超低靜態(tài)電流消耗。例如，升壓-降壓穩壓器會(huì )在給LDO供電且LDO處于輸出電流接近零的待機模式時(shí)，采用強制旁路模式。在此條件下，使升壓-降壓穩壓器進(jìn)入旁路模式對LDO基本沒(méi)有影響，但可為穩壓器節省41µA的靜態(tài)電流消耗。

 

圖3. 自適應電流方案提供從降壓到升壓的平穩轉換

 

 

仔細觀(guān)察圖1可以看出，使用升壓-降壓穩壓器的可穿戴設備應用具有優(yōu)勢。例如，心率監測器傳感系統需要約3.3V輸入電壓，系統設計工程師通常建議使用2-3個(gè)LED來(lái)準確地監測心率，因為這對可穿戴設備佩戴位置的依賴(lài)較小，并適用更廣泛的最終用戶(hù)。但該配置需要消耗較大的電流。將ISL9120用作預穩壓器非常適合這種應用，因為電池可直接給其供電，從而提供更高的系統效率（更長(cháng)電池續航時(shí)間）、對輸入擾動(dòng)的更高抵抗力、以及極低輸出紋波。當心率監測器不工作時(shí)，可使ISL9120進(jìn)入強制旁路模式，這時(shí)僅消耗0.5µA電流，直至其被喚醒。

 

可穿戴LCD尺寸小，通常使用一個(gè)白光LED作為背光。如圖1所示，現有解決方案使用5V升壓來(lái)給LCD塊供電。廣泛的小尺寸（1-2英寸）LCD可使用3V-3.6V而非5V電源供電。這使升壓-降壓穩壓器對實(shí)現更高效的電源設計非常具有吸引力。最后，可穿戴設備具有集成Wi-Fi的趨勢，這樣的系統通常需要3.3V供電電壓和低輸入紋波。由于可穿戴設備的空間限制，小而緊湊的設計是基本要求。而將ISL9120用作預穩壓器非常合適可穿戴設備應用。

 

 

由于可穿戴設備尺寸變得更小、集成度變得更高，需要用更快的處理器來(lái)管理越來(lái)越多的功能，高效的電源管理變得格外重要。事實(shí)證明，具有自適應電流限制PFM的新型升壓-降壓穩壓器可滿(mǎn)足這些不斷增加的要求，同時(shí)延長(cháng)電池續航時(shí)間，并使下一代可穿戴設備能夠連續工作更長(cháng)時(shí)間且工作溫度更低。