Увеличение энергоэффективности портативных устройств при помощи SIMO PMIC-преобразователей

4 марта

управление питаниемпотребительская электроникаинтернет вещейMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Норберто Санчез-Дичи, Мохамед Исмаил (Maxim Integrated)

Реализованная в интегральных PMIC-преобразователях производства Maxim Integrated технология SIMO позволяет сократить место, занимаемое на плате, благодаря применению всего одной катушки индуктивности для нескольких независимых выходов. Применение преобразователя MAX77650/1 упрощает компоновку и минимизирует емкость контактов, которая могла бы привести к потере мощности во время работы.

Ключевыми критериями при разработке устройств интернета вещей (Internet of Things, IoT), особенно портативных, являются малый размер и минимальное энергопотребление. Сочетание этих критериев обычно подразумевает некоторые компромиссы. Например, для достижения требуемого энергопотребления разработчику иногда приходится использовать дополнительные компоненты, что увеличивает размер устройства. В этой статье мы рассмотрим, как микросхема управления питанием (PMIC), управляющая тремя независимыми выходами регуляторов напряжения с помощью одной катушки индуктивности, может применяться в устройствах IoT, питаемых от литий-ионных аккумуляторов.

Увеличение емкости аккумулятора

В портативных устройствах в качестве источника постоянного напряжения чаще всего используют аккумуляторы. Батареи являются одноразовыми источниками питания, а аккумуляторы можно перезаряжать, однако обычно они имеют вдвое меньшую плотность энергии. Наиболее распространенные аккумуляторы – литий-ионные (Li+) с номинальным напряжением около 3,7 В, литий-диоксид-марганцевые (LiMn2O4), литий-диоксид-кобальтовые (LiCoO2), литий-диоксид-никелевые (LiNiO2), литий-никель-марганец-кобальт-оксидные (LiNiMnCoO2, или NCM) и литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные (LiNiCoAlO2, или NCA). Литий-железофосфатный аккумулятор (LiFePO4) имеет номинальное напряжение около 3,3 В. И по мере разряда аккумулятора его напряжение уменьшается.

Чем больше потребляемая мощность устройства, тем быстрее снижается эффективная емкость и напряжение на аккумуляторе. Эти параметры также зависят и от температуры окружающей среды. Поэтому при питании от аккумулятора необходимо использовать преобразователи напряжения, выполняющие следующие функции:

  • максимально эффективное распределение мощности между цепями питания;
  • снижение напряжения при полностью заряженном аккумуляторе и повышение при разряженном для поддержания постоянного напряжения на нагрузке;
  • предотвращение снижения напряжения на аккумуляторе ниже допустимого уровня;
  • ограничение максимального тока с аккумулятора.

Минимальным напряжением питания устройства должно быть минимальное рабочее напряжение аккумулятора. Для того чтобы система управления питания работала максимально эффективно, необходимо выбирать компоненты, способные полностью использовать всю активную емкость аккумулятора, то есть разряжать его до минимально возможного напряжения. Падение напряжения на аккумуляторе ниже этого значения может существенно сократить срок его службы. В результате система питания должна быть разработана таким образом, чтобы она работала до минимального напряжения аккумулятора, и после этого включалась блокировка от пониженного напряжения (Under Voltage Lock Out, UVLO).

Увеличение эффективности системы

В портативных IoT-устройствах из-за малых габаритов приходится жертвовать размером аккумуляторов, что приводит к сокращению времени автономной работы. Когда цепи питания не используются, их необходимо отключать. Для эффективного управления цепями питания в портативных IoT-устройствах рекомендуется применять микросхему управления питанием (PMIC), которая может при необходимости включать/отключать отдельные цепи, тем самым увеличивая время работы устройства от одного заряда аккумулятора.

Применение PMIC дает разработчику возможность более гибко спроектировать устройство за счет управления цепями питания, мониторинга их состояния и защиты. Применение контроллера питания, входящего в состав микросхемы PMIC, в отличие от внешних контроллеров позволяет максимально эффективно управлять цепями питания, уменьшая потери и увеличивая КПД системы питания.

Существуют три основных типа DC/DC-преобразователей:

  • линейные регуляторы, требующие минимума внешних компонентов, обладающие возможностью регулировки выходного напряжения, но имеющие низкий КПД;
  • преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами, которые требуют минимума внешних компонентов, обладают высоким КПД, но имеют ограничения по регулировке выходного напряжения;
  • импульсные регуляторы на основе индуктивности, имеющие высокий КПД, возможность регулировки выходного напряжения, но требующие дополнительных внешних компонентов.

Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсаторами, также называемые зарядовыми насосами, в целом не получили широкого распространения из-за ограничений в регулировке выходного напряжения. Они хорошо подходят для питания драйверов затвора, но не для DC/DC-преобразователей, так как не могут выдать необходимые значения тока при требуемых значениях напряжений. Поэтому в схемах управления питанием PMIC применяют импульсные или линейные преобразователи, обеспечивающие более гибкое управление питанием.

Для увеличения КПД на вход линейных регуляторов подается постоянное напряжение с понижающего импульсного преобразователя. На рисунке 1 показана типовая схема питания с одним дросселем, применяемая в портативных IoT-устройствах для следующих узлов: сенсорных панелей, дисплеев, устройств/компонентов беспроводной связи и ядер микропроцессоров.

Рис. 1. Типовая схема структуры питания с применением PMIC

Рис. 1. Типовая схема структуры питания с применением PMIC

При рассмотрении данной типовой схемы питания видно, что в цепи, которая начинается с литий-ионного аккумулятора, далее идет к импульсному понижающему регулятору напряжения и заканчивается линейным регулятором LDO на 1,85 В, общее значение КПД составляет 81,2%. Если бы линейный регулятор (LDO) на 1,85 В был подключен непосредственно к аккумулятору, то КПД был бы равен 48,7%, что привело бы к значительному увеличению потерь мощности. Этот пример отчетливо демонстрирует необходимость применения понижающего импульсного регулятора в системе с батарейным питанием.

Формулы 1 и 2 для расчета потери мощности (PL) и КПД (η) применимы только для линейных регуляторов:

$$P_{L}=\left(V_{IN}-V_{OUT} \right)\times I_{L}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

$$\eta =\frac{V_{OUT}}{V_{IN}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Формулы 3 и 4 для расчета потери мощности (PL) и КПД (η) применимы как к линейным, так и к импульсным регуляторам:

$$P_{L}=PO\times \frac{1-\eta }{\eta }\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

$$\eta =\frac{PO}{P_{L}}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

КПД (η) всей системы, изображенной на рисунке 1, составляет 69,1%. Потеря энергии преобразователя складывается из потерь каждого блока и составляет 56,7 мВт. Ограничение по минимальному входному напряжению в 3,4 В устанавливает 3,3-вольтовый LDO с падением напряжения 100 мВ. Фактический размер преобразователя на плате показан на рисунке 2. Он определяется самим преобразователем в корпусе WLP, конденсаторами размером 0402 и индуктивностью 2,2 мкГн размером 0805.

Рис. 2. Габариты типового PMIC на плате в большинстве цепей питания с одной индуктивностью

Рис. 2. Габариты типового PMIC на плате в большинстве цепей питания с одной индуктивностью

Структура цепей контроллера питания

Часто при разработке узла питания необходимо идти на компромисс между малыми размерами и максимальным КПД. Для сравнения потерь мощности и размера занимаемой площади в цепях питания введем такой параметр как показатель качества (Figure or Merit, FoM), который будет определяться по формуле 5:

$$FoM=FP\times P_{L},\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где:

  • PL – потери мощности в мВт;
  • FP – размер занимаемой площади в м2.

Системы питания с наименьшим значением FoM – это реализация с наименьшими потерями мощности (PL) в сочетании с наименьшим размером (FP). В идеале значение FoM должно равняться нулю, однако на практике существуют ограничения по размеру компонентов и потери мощности на преобразователе. Величина FoM для решения, изображенного на рисунке 1, составляет 1,39×10-3.

У системы, показанной на рисунке 1, есть потенциал по увеличению эффективности и снижению потерь мощности. Однако это снова будет компромиссным решением. Линейный преобразователь на 1,2 В можно заменить встроенным импульсным преобразователем, что значительно уменьшит потери мощности. Впрочем, и это решение имеет следующие недостатки:

  • необходима дополнительная катушка индуктивности;
  • преобразователь добавляет более 1 мг веса на портативное IoT-устройство;
  • требуется на 8,3% больше места на плате;
  • появляется цепь через дополнительную индуктивность, что может снизить общую производительность системы;
  • минимальное входное напряжение остается таким же.

Если не снижать минимальное входное напряжение, аккумуляторы в системах IoT не смогут использовать весь свой потенциал. Контроллер питания с одной катушкой индуктивности, изображенный на рисунке 1, с минимальным входным напряжением 3,3 В плюс падение напряжения на линейном регуляторе LDO не могут использовать всю доступную емкость LiFePO4-батареи с номинальным напряжением холостого хода чуть ниже 3,5 В. В некоторых устройствах IoT возможны изменения нагрузки, что приводит к резким всплескам тока и просадкам напряжения. Из-за этого контроллер питания может уходить в ограничение UVLO и отключаться, потому что напряжение на LiFePO4-аккумуляторе может просаживаться ниже минимального напряжения схемы питания. Эту проблему можно решить, используя топологию с одной катушкой индуктивности и несколькими выходами (SIMO), чтобы максимально снизить FoM и минимальное входное напряжение.

Снижение потерь мощности и уменьшение занимаемой площади благодаря SIMO PMIC с низким FoM

Для достижения высокого КПД и температурных характеристик хорошим решением может показаться отказ от линейных регуляторов в модуле питания – из-за больших потерь на постоянно работающем транзисторе в цепи управления такого регулятора. Но на практике мы сталкиваемся с необходимостью учитывать ограниченное пространство на печатной плате портативного устройства. В некоторых случаях линейный регулятор может быть лучшим вариантом, поскольку он малошумящий, а значит, идеален для чувствительной к помехам электроники, такой как пульсоксиметры, слуховые аппараты и измерители биоимпеданса. Тот факт, что компромиссы при проектировании неизбежны, не должен повлиять на производительность системы, более того, у разработчика появляется отличная возможность спроектировать оптимальную систему питания с малым значением показателя качества FoM.

Система питания должна строиться таким образом, чтобы напряжение на выходе не зависело от напряжения на аккумуляторе. Buck-boost DC/DC-преобразователи обеспечивают эту функциональность. Они могут как понижать, так и повышать напряжение, что позволяет использовать весь диапазон рабочих напряжений аккумулятора. Таким образом максимально увеличивается время работы устройства.

Использование топологии Buck-Boost в качестве предварительного регулятора позволяет оптимизировать каскад с линейным регулятором. Если напряжение батареи приближается к минимальному значению отключения (UVLO), линейный регулятор получает постоянное напряжение от повышающего регулятора. Предварительный регулятор напряжения с топологией Buck-Boost позволяет устанавливать входное напряжение для линейного регулятора чуть выше его выходного напряжения для минимальной потери мощности и максимального КПД. Он также позволяет выдержать скачки при изменении нагрузки и поддерживать входное напряжение на линейном регуляторе выше требуемого минимального уровня.

Модуль управления питанием с минимально возможным значением FoM имеет следующие преимущества:

  • интегрированный PMIC с функциями управления и защиты в одном корпусе;
  • одна катушка индуктивности, несколько независимых повышающе-понижающих преобразователей, а также алгоритм управления частотой импульсов, который может регулировать напряжение на выводах, используя один индуктивный компонент;
  • частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), обеспечивающая поддержание выходного напряжения каждого канала в заданных пределах;
  • низкий ток покоя.

SIMO PMIC позволяет снизить потери мощности и уменьшить занимаемую площадь на плате. На рисунке 3 показана полностью интегрированная реализация SIMO.

Рис. 3. Модуль питания SIMO на базе MAX77650/1 PMIC

Рис. 3. Модуль питания SIMO на базе MAX77650/1 PMIC

Как видно из рисунка 3, общий КПД системы ηsystem = 78,5% определяется КПД каждого блока. Сумма потерь мощности каждого блока питания определяет потери мощности системы. Потери системы составляют 35,5 мВт. Внутренняя управляющая логика MAX77650/1 задает минимальное входное напряжение, требуемое системой, которое составляет 2,7 В. Фактическая занимаемая площадь (FP) системы определяется размером преобразователя (WLP-корпус) MAX77650/1 (2,75×2,15 мм), конденсатором CBST 0201, конденсаторами 0402 и индуктивностью 2,2 мкГн 0805, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Расположение элементов на плате с модулем MAX77650/1

Рис. 4. Расположение элементов на плате с модулем MAX77650/1

Технология SIMO позволяет сократить место, занимаемое на плате, благодаря применению всего одной катушки индуктивности для нескольких независимых выходов. MAX77650/1 упрощает компоновку и минимизирует емкость контактов, которая могла бы привести к потере мощности во время работы.

Также благодаря выводам, расположенным рядом друг с другом на корпусе ИС, данное решение дает возможность использовать байпасные конденсаторы. MAX77650/1 позволяет:

  • объединить вывод SYS и вывод IN_SBB, чтобы использовать один и тот же байпасный конденсатор;
  • объединить вывод IN_LDO и вывод SBBO для использования одного и того же байпасного конденсатора.

Совместное применение байпасных конденсаторов, когда это возможно, и уменьшение их емкости в тех цепях, где нагрузка большую часть времени находится в спящем режиме или в режиме энергосбережения, позволяет перераспределить мощность в сторону стандартного функционала устройства. Благодаря Н-образному мостовому каскаду в MAX77650/1 и трем независимым выходам, работающим от одной катушки индуктивности, мы получаем SIMO-модуль питания с FoM, равным 0,682×10-3, что составляет почти половину от значения FoM типового модуля питания с PMIC.

Кроме того, входя в режим частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) при небольших нагрузках, SIMO подает питание на выход только тогда, когда это необходимо для поддержания выходного напряжения в заданных пределах. В устройствах, где нагрузка часто находится в спящем режиме или в режиме пониженного энергопотребления, ЧИМ просто незаменим. В таком случае напряжение приходит только на выходы, постоянно находящиеся под нагрузкой. ЧИМ снижает рассеиваемую мощность, уменьшая потери на переключение импульсов при работе на минимальную нагрузку.

Заключение

В таблице 1 показано, как модуль питания SIMO с FoM, равным половине значения FoM у типового решения, обеспечивает наилучшее сочетание размера занимаемой площади на плате и потерь мощности при той же нагрузке. При минимальном входном напряжении 2,7 В модуль питания SIMO максимально эффективно использует всю доступную емкость аккумулятора.

Таблица 1. FоM и минимальное входное напряжение для типовой структуры и SIMO

Параметр Типовое решение SIMO
Показатель качества FoM 1,39×10-3 0,682×10-3
Минимальное напряжение питания, В 3,3 + напряжение падения на LDO 2,7

Наряду с малым значением FoM и минимальным рабочим напряжением, MAX77650/1 имеет встроенный интеллектуальный селектор питания, зарядное устройство Li+/Li-Poly-аккумуляторов, функции защиты, конфигурируемые по I2C, три источника тока, аналоговый мультиплексор и несколько AFE-измерителей мощности. При минимальном входном напряжении 2,7 В MAX77650/1 максимально увеличивает доступную емкость аккумулятора для элементов питания LiFePO4 с минимальным напряжением отсечки 2,8 В.

С уменьшением FoM увеличивается срок службы батарей, что снижает стоимость такого обслуживания как замена батарей или зарядка аккумуляторов для портативных IoT-устройств. Низкий уровень FoM гарантирует, что устройство может максимально эффективно использовать батарею малой емкости, благодаря чему снижается стоимость батарей и уменьшаются габариты самого IoT-устройства. Модуль питания SIMO, настроенный под конкретное приложение, позволяет значительно увеличить время его автономной работы.

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. Увеличение времени работы портативной электроники с помощью преобразователя на основе SIMO
  7. Борцы SIMO: особенности применения SIMO-преобразователей Maxim
  8. Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства

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

Перевел Антон Хомяков 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)
MAX77650BEWV+T (MAX)
MAX77650MEWV+T (MAX)
MAX77650EVKIT# (MAX)
MAX77650AEWV+ (MAX)
MAX77650MEWV+ (MAX)
MAX77650BEWV+ (MAX)
MAX77650EWV+ (MAX)
MAX77651AEWV+T (MAX)
MAX77651BEWVA+T (MAX)
MAX77651EVKIT# (MAX)
MAX77651AEWV+ (MAX)
MAX77651EWV+ (MAX)
MAX77651BEWVA+ (MAX)
MAX77651EWV+T (MAX)