Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO

6 февраля

управление питаниеминтернет вещейуниверсальное применениеMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Понижающе-повышающие импульсные стабилизаторы производства Maxim Integrated с одной катушкой индуктивности и несколькими выходами обеспечивают до трех питающих напряжений в портативных устройствах, повышают КПД и контролируют оптимальное распределение мощности.

Перед разработчиками современной электроники стоит непростая задача:  обеспечить длительную работу портативной электроники, параллельно с уменьшением размера элементов питания. В данной статье описано, как микросхемы PMIC, содержащие DC/DC-преобразователи с уникальной архитектурой преобразования мощности SIMO, поддерживают длительный срок службы батарейки в малом форм-факторе.

Любые портативные электронные устройства, будь то наушники или умные часы,  должны работать в течение длительного времени. И это непростая задача для разработчиков: очевидно, что с уменьшением размеров батарейки уменьшается и ее емкость. Кроме того, даже если отбросить вопрос производительности, источники питания в таких применениях должны поддерживать разные напряжения для элементов внутри одного устройства, причем эти элементы могут иметь особые требования к питанию. В таких случаях может помочь импульсный стабилизатор, основанный на схеме преобразования мощности с одной катушкой индуктивности и несколькими выходами (Single-Inductor, Multiple-Output, SIMO). Стабилизатор с архитектурой SIMO и низким током покоя может продлить срок службы батарейки для электроники, когда размеры критичны.

Преимущество понижающе-повышающих преобразователей SIMO

Рассмотрим, как архитектура SIMO работает в понижающе-повышающих (Buck-boost) стабилизаторах. В традиционной архитектуре импульсных стабилизаторов с несколькими выходами для каждого из выходов требуется отдельная катушка индуктивности (рисунок 1). Такой подход явно неприемлем для портативных электронных устройств, поскольку катушки имеют большие размеры и высокую цену. Другим вариантом является использование линейных стабилизаторов: несмотря на большое рассеивание мощности, они компактные, быстрые и имеют низкий уровень шума. Существует также смешанный подход, основанный на сочетании стабилизаторов с малым значением падения напряжения (Low Dropоut regulator, LDO) и DC/DC-преобразователей. Такая конфигурация дает средние мощность и тепловыделение, но существенно проигрывает по размерам.

Рис. 1. Стандартная схема понижающе-повышающих импульсных стабилизаторов

Рис. 1. Стандартная схема понижающе-повышающих импульсных стабилизаторов

Преимущество понижающе-повышающего преобразователя SIMO заключается в возможности стабилизировать до трех выходных напряжений в широком диапазоне с помощью всего одной катушки индуктивности. При этом стоит отметить, что понижающе-повышающая схема SIMO обеспечивает более широкий диапазон выходного напряжения, чем архитектура SIMO только с понижением. А главный недостаток понижающей архитектуры преобразования SIMO проявляется в случаях, когда уровень одного или нескольких выходных напряжений близок к уровню входного напряжения: при этом единственная катушка работает на один канал и не может обеспечить нормальную работу остальных.

В некоторых случаях отказаться от катушки индуктивности в системе нельзя. Подходящие по условиям применения из-за малых размеров LDO-стабилизаторы, тем не менее, работают только на понижение напряжения. Поэтому в разработках, где нужно повышение напряжения, лучшим решением будет использовать понижающе-повышающую архитектуру SIMO, так как она нуждается только в одной катушке. На рисунке 2 представлена блок-схема архитектуры SIMO.

Рис. 2. Блок-схема архитектуры SIMO

Рис. 2. Блок-схема архитектуры SIMO

Током насыщения катушки (Iнас) называется значение тока, при котором индукция падает до 70% от своего значения. Iнас зависит от размера и материала сердечника и особенностей конструкции. В отличие от использования отдельных DC/DC-преобразователей, решение с одной катушкой в архитектуре SIMO дает много преимуществ:

  • снижается количество компонентов, имеющих большую высоту;
  • уменьшается площадь размещения компонентов на печатной плате;
  • появляется возможность переключения каналов выходного напряжения. Это актуально для систем, где напряжения на шинах используются в разные моменты времени. Например, в некоторых системах с Bluetooth данные можно загрузить перед тем как они активируют какую-либо функцию. Получается, что питание для радиопередачи по Bluetooth происходит в иные промежутки времени, нежели моменты активации функции. Таким образом, ток потребления в подобных системах всегда оказывается меньше общей суммы требуемых на выходе токов, что снижает требования к Iнас катушки, которым будет соответствовать SIMO, в отличие от стандартных DC/DC-преобразователей, применение которых в данном случае явно избыточно;
  • снижаются требования к мощности и номинальному току катушки, даже если каналы питания используются одновременно, так как пики потребляемой мощности редко совпадают.

Компромиссы при использовании архитектуры SIMO

В любой методологии приходится идти на определенные компромиссы, и, чтобы свести их к минимуму, крайне важно продумать все моменты в разработке с применением архитектуры SIMO. Известно, что передача энергии с одной катушки на разные выходы приведет к увеличению пульсаций во всей системе. Кроме того, при высокой нагрузке SIMO может произойти задержка в стабилизировании следующего канала из-за нехватки времени для стабилизирования предыдущего, что может еще больше увеличить пульсации. Чтобы компенсировать эти пульсации, можно использовать более высокую емкость на выходе, это поможет избежать увеличения количества проводников на печатной плате и элементов в схеме.

В портативной электронике микросхемы управления питанием (Power Management ICs, PMIC), разработанные на основе микромощных DC/DC-преобразователей с понижающе-повышающей архитектурой SIMO, могут продлить срок службы батарейки. Такие преобразователи обеспечивают уровень выходного напряжения выше, ниже или равный уровню входного, задействовав весь диапазон напряжения батарейки, так как каждый выход имеет понижающе-повышающую конфигурацию. С помощью программирования пиковых значений тока катушки для каждого выхода можно оптимизировать баланс между КПД, выходными пульсациями, электромагнитными помехами (EMI), конструкцией печатной платы и нагрузочной способностью.

На основе микромощных DC/DC-преобразователей с понижающе-повышающей архитектурой SIMO компания Maxim Integrated разработала микросхемы PMIC MAX77650 и MAX77651. Эти микросхемы имеют встроенный LDO-стабилизатор на 150 мА для питания чувствительных к шуму устройств. Чтобы минимизировать перекрестные помехи и просадку сигналов на шине, на линиях данных (SDA) и на линиях тактирования (SCL) устанавливаются последовательные резисторы (24 Ом), которые, помимо прочего, защищают входы микросхемы от скачков высокого напряжения на шине. Каждый канал в этих преобразователях имеет низкий ток покоя, равный 1 мкА по каждому выходу, что способствует увеличению срока службы батарейки. Поскольку указанные микросхемы всегда работают в режиме прерывистой проводимости (Discontinuous Conduction Mode, DCM), ток катушки падает до нуля в конце каждого цикла для дополнительной защиты от перекрестных помех и пульсаций. Специальный контроллер в схеме управления SIMO в этих преобразователях обеспечивает своевременное стабилизирование напряжения на всех выходах. Если стабилизирования не требуется, контроллер находится в режиме малого энергопотребления. При снижении напряжения на одном из выходов ниже минимального значения контроллер заряжает катушку, которая затем разряжается на соответствующий выход, пока ток в катушке не упадет до нуля. Если одновременно требуется стабилизировать напряжение на нескольких выходах, контроллер распределяет циклы разряда катушки между всеми работающими выходами, исключая неработающие.

Сравнение мощностей потребления DC/DC c SIMO и со стандартной архитектурой

Блок-схема распределения мощности в микросхеме MAX77650 показана на рисунке 3. Три из четырех нагрузок подключены к литий-ионной батарейке (Li+) через импульсный стабилизатор SIMO с высоким КПД. Четвертая нагрузка питается от LDO с выхода SIMO 2,05 В. Таким образом, на этом канале достигается КПД 90,2% (1,85 В/2,05 В). В таблице 1 приведено сравнение показателей потребления стандартной архитектуры и архитектуры SIMO. Оценочные платы доступны для обеих микросхем – MAX77650 и MAX77651.

Рис. 3. Распределение мощности в микросхеме MAX77650 по каждому выходному каналу с указанием тока нагрузки, КПД и мощности рассеивания

Рис. 3. Распределение мощности в микросхеме MAX77650 по каждому выходному каналу с указанием тока нагрузки, КПД и мощности рассеивания

Определить наилучшие параметры SIMO можно с помощью специального калькулятора SIMO. Калькулятор выполнен в виде электронной Excel-таблицы , где требуется ввести параметры в соответствующие ячейки в верхней строке. Наиболее важные параметры выделяются желтым цветом. Красным цветом выделяются параметры, значения которых выходят за допустимые пределы. В комментариях указываются рекомендации по улучшению разрабатываемой схемы. Сравнение потребления DC/DC с SIMO и DC/DC с обычной архитектурой приведены в таблице 1.

Таблица 1. Показатели потребления DC/DC с SIMO и с обычной архитектурой

Параметр Стандартная архитектура SIMO Преимущество SIMO
Ток батарейки LI+, мА 49 43,4 Экономия 5,6 мА
КПД, % 69,5 78,4 КПД выше на 8,9%
Минимальное напряжение LI+, В 3,4 (из-за 3,3 В LDO) 2,7 Работает с меньшим напряжением батарейки

Заключение

Как показано в статье, микросхемы PMIC с импульсными стабилизаторами SIMO могут значительно продлить срок службы батарейки в портативной электронике.

Дополнительные материалы:

Статьи:

  1. Технология Maxim Integrated nanoPower: когда малый IQ имеет преимущества
  2. Контроль в спящем режиме: повышение КПД батарейного питания с помощью DC/DC MAX17225 nanoPower
  3. DC/DC-преобразователи: принципы работы и уникальные решения MaximIntegrated
  4. Один дроссель для всей системы: многоканальные преобразователи Maxim с технологиями SIMO и nanoPower
  5. Измерение мощности в режиме реального времени с помощью ИС регистратора потребляемой мощности
  6. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
  7. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства
  8. Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

Новости

  1. MAX17222 — длинная жизнь для маленьких вещей
  2. MAX38640/1/2/3 – понижающие конвертеры семейства NanoPower с ультранизким током потребления
  3. MAX17270 – преобразователь NanoPower SIMO PMIC для IoT с ультранизким потреблением

 

Оригинал статьи

Перевела Софья Букреева по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Наши информационные каналы

О компании Maxim Integrated

Компания Maxim Integrated является одним из ведущих разработчиков и производителей широкого спектра аналоговых и цифро-аналоговых интегральных систем. Компания была основана в 1983 году в США, в городе Саннивэйл (Sunnyvale), штат Калифорния, инженером Джеком Гиффордом (Jack Gifford) совместно с группой экспертов по созданию микроэлектронных компонентов. На данный момент штаб-квартира компании располагается в г. Сан-Хосе (San Jose) (США, Калифорния), производственные мощности (7 заводов) и ...читать далее

Товары
Наименование
MAX77650AEWV+T (MAX)
MAX77650CEWV+T (MAX)
MAX77650EWV+T (MAX)
MAX77650MEWV+T (MAX)
MAX77650BEWV+T (MAX)
MAX77650EVKIT# (MAX)
MAX77650AEWV+ (MAX)
MAX77651AEWV+T (MAX)
MAX77651BEWVA+T (MAX)
MAX77651EVKIT# (MAX)
MAX77651AEWV+ (MAX)