更智能的可穿戴設備電源解決方案

可穿戴設備已迅速成為許多人日常生活和工作中的最新“必備”品。消費者使用這些設備來執行眾多任務，最常見的就是監測健康和管理繁忙的日程。事實上，可穿戴設備的發展勢頭如此迅猛，市場調研公司ABI Research預測該市場的年復合增長率為56.1%，其出貨量將在2018年達到4.87億件。對于正在步入老年的嬰兒潮一代人，可穿戴設備來得正是時候，因為準確的醫療監測有助于應對嚴重的健康問題。由于用戶對設備性能的期待日益提升，系統設計工程師必須開發更小、更高效和更經濟的解決方案，以便讓可穿戴設備能夠戴在更多人的手腕之上。

可穿戴設備種類繁多，例如，三星Gear和Apple Watch，可提供網絡連接、高質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，這兩款產品都對數據收集和健身活動跟蹤功能進行了優化。在可穿戴設備如此受歡迎的情況下，消費者最關心的問題之一是這些設備一次充電能夠使用多長時間。電池續航時間是消費者決定購買哪種可穿戴設備的一個關鍵考慮因素。

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，以延長電池續航時間。可穿戴設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響應在這些應用中至關重要。

可穿戴設備架構

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DC-DC轉換器和3~5個LDO低壓差線性穩壓器。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。

Battery charger: 電池充電器

Li-ion Cell: 鋰離子電池

Backlight boost regulator: 背光升壓穩壓器

Handheld/portable display: 手持/便攜式顯示

Buck regulator: 降壓穩壓器

GPS Module: GPS模塊

Memory: 內存

Bluetooth Dual Mode: 藍牙雙模

Touchscreen controller: 觸摸屏控制器

3-Axis accelerometer: 3軸加速度計

Pressure & altitude sensor: 壓力和高度傳感器

Heart rate sensor: 心率傳感器

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的廣泛新型化學電池。升壓-降壓穩壓器在電池電壓(Vbat)為2.5V~3V時處于純升壓模式，然后在Vin≥3V和＜3.9V時處于升壓-降壓模式，最后在Vbat =3.9V-4.5V時處于純降壓模式。

升壓-降壓轉換器用作預穩壓器

諸如WiFi和顯示模塊等多種應用都由一個LDO供電，如果電力直接來自電池，則這些外設會產生大量功率損耗，因為LDO的效率等于Vout除以Vin。在較高負載時，LDO的功率損耗更高并產生更多熱量。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，這推動了對更高效的電源管理的需要。當多個應用同時工作時，短時大電流脈沖會造成局部節點電壓降至建議輸入范圍以下，并會造成應用關斷。這種行情況非常不利，可通過將升壓-降壓轉換器用作這些設備的預穩壓器來避免，例如液晶顯示器(LCD)和由LDO供電的應用。

延長電池續航時間

ISL9120升壓-降壓穩壓器在低負載和高負載條件下都能提供優異的效率。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實現高達98%的效率，在較低負載條件時達到86%以上的效率。這可確保降低功耗和減少熱量生成，從而延長電池續航時間，并通過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現效率優化，ISL9120實施多級電流限制方案，從350mA到2A分為32個等級。

圖2：ISL9120升壓-降壓穩壓器效率曲線圖。

如圖3所示，從一個等級到另一個等級的轉換，由一個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，脈沖數量會隨著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，電流限制轉換到下一個更高水平。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較低水平。如果脈沖數量在最高電流限制時達到上限閾值，則電流限制將不再上升。ISL9120還支持強制旁路模式，這時無需輸出調節。其系統待機模式實現了小于0.5μA的超低靜態電流消耗。例如，升壓-降壓穩壓器會在給LDO供電且LDO處于輸出電流接近零的待機模式時，采用強制旁路模式。在此條件下，使升壓-降壓穩壓器進入旁路模式對LDO基本沒有影響，但可為穩壓器節省41μA的靜態電流消耗。

圖3：自適應電流方案提供從降壓到升壓的平穩轉換。

Increasing Iout: 正在升高的Iout

升壓-降壓應用示例

仔細觀察圖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LED來準確地監測心率，因為這對可穿戴設備佩戴位置的依賴較小，并適用更廣泛的最終用戶。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(更長電池續航時間)、對輸入擾動的更高抵抗力、以及極低輸出紋波。當心率監測器不工作時，可使ISL9120進入強制旁路模式，這時僅消耗0.5μA電流，直至其被喚醒。

可穿戴LCD尺寸小，通常使用一個白光LED作為背光。如圖1所示，現有解決方案使用5V升壓來給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WiFi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。

結論

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管理越來越多的功能，高效的電源管理變得格外重要。事實證明，具有自適應電流限制PFM的新型升壓-降壓穩壓器可滿足這些不斷增加的要求，同時延長電池續航時間，并使下一代可穿戴設備能夠連續工作更長時間且工作溫度更低。