Компания Компэл продолжает работу по бесперебойной поставке электронных компонентов. Наш склад принимает и отгружает грузы в стандартном режиме.

Выбор SIMO PMIC-преобразователя для проекта портативного устройства

10 марта

медицинапотребительская электроникаинтернет вещейMaxim Integratedстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Интегральные импульсные преобразователи SIMO PMIC производства Maxim Integrated, такие как MAX77278, MAX77640, MAX17271 позволяют минимизировать место на плате и повысить эффективность преобразования для портативных устройств интернета вещей с различными требованиями к электропитанию и разным набором дополнительных функций.

Промышленность беспроводных устройств интернета вещей (Internet of Things, IoT) производит большое количество устройств с батарейным питанием. И хотя базовая система управления питанием от батарей всем хорошо понятна, конкретная конфигурация будет зависеть от технологий батареи (батарея/аккумулятор, химический состав или форм-фактор) и ограничений нагрузки (напряжение, ток или чувствительность к шуму). Из-за этих ограничивающих факторов может показаться, что системы питания должны быть реализованы на отдельных компонентах, как, например, в типовой системе на рисунке 1. Но подобный подход противоречит другому важному требованию к портативным устройствам – минимизации размеров. В статье мы рассмотрим три примера портативных устройств с настолько различными требованиями к питанию, что решение использовать несколько составных блоков в системе питания может показаться для выполнения этих требований неизбежным. Но, как мы увидим, комплексный подход к управлению питанием, основанный на преобразователе с архитектурой SIMO, может упростить эту проблему.

Комплексный подход к питанию

При построении систем управления питанием портативных устройств архитектура SIMO помогает преодолеть низкую эффективность энергопотребления и уменьшить площадь на печатной плате, характерные для, традиционных решений с несколькими импульсными стабилизаторами напряжения (каждый – со своей катушкой индуктивности) или несколькими линейными стабилизаторами напряжения.

Хотя микросхема SIMO-преобразователя и является большим шагом вперед в объединении составных блоков систем питания, для построения более сложных систем могут потребоваться дополнительные функции. Возникает вопрос: возможно ли объединить базовый преобразователь SIMO с другими вспомогательными функциональными блоками, ограничив всю систему управления питанием пределами одной микросхемы?

Ниже приводятся примеры применения технологии SIMO в трех разных портативных приложениях.

Типовая система питания от аккумуляторов

Для сравнения возьмем типовую систему питания от аккумуляторных батарей, построенную на отдельных устройствах (рисунок 1). Сетевой адаптер переменного тока осуществляет заряд аккумулятора через зарядное устройство (CHARGER), если оно присутствует, а питание нагрузки – через ключ SW2. При отсутствии напряжения на разъеме подключения адаптера в работу вступает аккумулятор, запитывая систему через ключ SW1. Ограничения в размерах и стоимости обычно заставляют разработчиков использовать несколько LDO-стабилизаторов и один импульсный понижающий стабилизатор (BUCK), который обеспечивает питание нагрузки с наибольшей потребляемой мощностью. Дополнительно могут потребоваться один или несколько драйверов светодиодов для обеспечения питанием ИК-пульта дистанционного управления или индикации с помощью RGB-светодиодов.

Рис. 1. Типовая схема питания аудиогарнитуры

Рис. 1. Типовая схема питания аудиогарнитуры

В следующих разделах мы адаптируем эту систему для трех разных устройств.

Система питания от аккумуляторов на SIMO PMIC-преобразователе

На рисунке 2 показан полностью интегральный подход к системе питания от аккумуляторов на базе SIMO PMIC-преобразователя. Сравним его с дискретным подходом, показанным на рисунке 1:

  • Эффективное обеспечение питания двух нагрузок с помощью двух импульсных понижающе-повышающих (buck-boost) преобразователей (BB3, BB2) вместо линейных LDO-стабилизаторов (LDO3 и LDO2 на рисунке 1);
  • третий понижающе-повышающий импульсный преобразователь (BB1) заменяет собой понижающий импульсный преобразователь BUCK (на рисунке 1);
  • для чувствительных к шуму нагрузок в систему интегрирован линейный стабилизатор LDO1;
  • в микросхему интегрирован драйвер светодиодов (LED DRIVER);
  • зарядное устройство и коммутаторы на рисунке 1 встроены в блоки зарядного устройства (CHARGER) и тракта питания (POWER PATH) на рисунке 2.

Рис. 2. Система питания от аккумуляторов на преобразователе SIMO PMIC1

Рис. 2. Система питания от аккумуляторов на преобразователе SIMO PMIC1

Преимущества в энергоэффективности и размерах при использовании импульсного преобразователя SIMO по сравнению с решением на базе линейных стабилизаторов очевидны. А использование импульсных понижающе-повышающих преобразователей, которые стабилизируют выходное напряжение, даже когда входное напряжение падает ниже выходного, позволяет полностью использовать эффективную емкость аккумулятора.

Пример 1. Пульт дистанционного управления с зарядкой аккумуляторов

Пульты дистанционного управления, поддерживающие зарядку аккумуляторов, например, пульты для телевизоров или систем умного дома, требуют, чтобы система управления питанием включала в себя зарядное устройство и драйвер для инфракрасного светодиода.

Для подобной системы идеально подходит SIMO PMIC-преобразователь MAX77278. Он включает в себя линейное зарядное устройство (375 мА), понижающе-повышающий преобразователь SIMO с тремя выходами (общий ток 300 мА), драйвер светодиодов (425 мА) и LDO-стабилизатор (50 мА). Настройка и проверка состояния устройства возможны с помощью двунаправленного интерфейса I2C.

Реализация зарядного устройства и коммутаторов в PMIC-преобразователе показана на рисунке 3. Схема Smart Power Path распределяет питание между запитываемой системой (SYS) и аккумулятором. Петля управления входом (INPUT CONTROL) при наличии питания от адаптера переменного тока стабилизирует напряжение питания системы (SYS) на уровне 4,5 В (VSYSREG). В этом случае зарядное устройство – транзистор T2 и связанный с ним элемент управления – получает питание с вывода SYS и заряжает аккумулятор. При отсутствии входного напряжения питания от адаптера переменного тока аккумулятор питает блоки микросхемы SIMO PMIC-преобразователя, и вся система запитывается через транзистор T2. Данная конфигурация более эффективно использует компоненты по сравнению со схемой на рисунке 1, поскольку T2 выполняет две задачи: служит как проходной транзистор в линейном зарядном устройстве, когда питание поступает от адаптера переменного тока, и работает как ключ, когда отсутствует напряжение с адаптера переменного тока.

Рис. 3. Схема Smart Power Path. Разделение токов нагрузки и заряда аккумулятора

Рис. 3. Схема Smart Power Path. Разделение токов нагрузки и заряда аккумулятора

Благодаря импульсным стабилизаторам в схеме SIMO и малому падению напряжения на LDO-стабилизаторе этот небольшой PMIC-преобразователь в корпусе WLP размером 2,15×3,15×0,5 мм обеспечивает питание системы с минимальными потерями места на печатной плате (всего 21 мм2), что более чем в два раза меньше, чем площадь, занимаемая компонентами при реализации типовой системы питания. На рисунке 4 показана компоновка печатной платы для данного решения, учитывающая все пассивные и активные компоненты схемы питания.

Рис. 4. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX77278, чья занимаемая площадь составляет 21 мм2

Рис. 4. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX77278, чья занимаемая площадь составляет 21 мм2

Кроме того, данный PMIC-преобразователь в режиме ожидания потребляет только 300 нА, что по крайней мере в два раза лучше, чем другие доступные решения. Такое значение потребления и повышенная эффективность в рабочем режиме увеличивают время автономной работы и помогают уменьшить размер системы за счет использования минимального по размеру аккумулятора при одновременном увеличении времени работы между зарядками.

Система питания от первичных (неперезаряжаемых) элементов на SIMO PMIC-преобразователе

На рисунке 5 показан более простой преобразователь PMIC2, удовлетворяющий всем требованиям к системе, питающейся от неперезаряжаемой батареи.

Рис. 5. Система питания от неперезаряжаемой батареи на преобразователе SIMO PMIC2

Рис. 5. Система питания от неперезаряжаемой батареи на преобразователе SIMO PMIC2

Пример 2. Неперезаряжаемые мониторы активности

Такие портативные устройства как мониторы активности и инсулиновые ручки работают от неперезаряжаемых элементов типоразмера AA и AAA. Данные устройства используют светодиоды по-разному. Интеллектуальные дозирующие устройства помогают заряжать ручку нужным количеством инсулина и посредством включенного светодиода сигнализируют об окончании загрузки. Регистраторы, например, мониторы физической активности и сна, носятся на запястье как часы. Свет от их светодиодов, настроенный на различные частоты, проникает в кожу, после чего фотодетекторы улавливают отраженный сигнал, модулированный кровотоком и тканями тела, и предоставляют информацию о частоте сердечных сокращений, движении и дыхании.

Для подобных устройств идеально подходит SIMO PMIC-преобразователь MAX77640. Он включает в себя понижающе-повышающий SIMO-преобразователь с тремя выходами (общий ток 300 мА), три драйвера светодиодов (3,2 мА каждый) и LDO стабилизатор (150 мА). Настройка и проверка состояния устройства возможна с помощью двунаправленного интерфейса I2C.

Данный PMIC-преобразователь в корпусе WLP 2,15×2,75×0,7 мм обеспечивает питание устройства, занимая при этом минимальное пространство на печатной плате (16 мм2). На рисунке 6 показана компоновка печатной платы для данного решения, учитывающая все пассивные и активные компоненты системы питания.

Рис. 6. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX77640 (площадь 16 мм2)

Рис. 6. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX77640 (площадь 16 мм2)

Кроме того, данный PMIC-преобразователь потребляет лишь 300 нА в режиме ожидания и 5,6 мкА в активном режиме.

Миниатюрная система питания от неперезаряжаемой батареи на основе SIMO-преобразователя

На рисунке 7 показан упрощенный преобразователь PMIC3, объединяющий три понижающе-повышающих стабилизатора и использующийся в простейших и самых компактных системах с питанием от неперезаряжаемых элементов.

Рис. 7. Система питания от неперезаряжаемой батареи на преобразователе SIMO PMIC3

Рис. 7. Система питания от неперезаряжаемой батареи на преобразователе SIMO PMIC3

Пример 3. Датчики с питанием от элементов типоразмера «таблетка»

Для питания датчиков, использующихся в устройствах интернета вещей для измерения различных параметров, таких как температура, влажность и так далее, требуются надежные системы управления питанием, обеспечивающие наименьшие размеры и максимально возможное время работы.

Для подобных устройств идеально подходит SIMO PMIC-преобразователь с низким током покоя MAX17271. Данный PMIC-преобразователь включает в себя понижающе-повышающий SIMO-преобразователь с тремя выходами (общий ток 300 мА). Настройка и проверка состояния устройства возможна с помощью двунаправленного интерфейса I2C.

Данный PMIC-преобразователь в корпусе WLP 1,77×1,77×0,5 мм обеспечивает питание устройства при минимальном использовании пространства на печатной плате – всего 14 мм2. На рисунке 8 показана компоновка печатной платы для данного решения, учитывающая все пассивные и активные компоненты.

Рис. 8. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX17271 (площадь 14 мм2)

Рис. 8. Компоновка печатной платы системы питания на преобразователе MAX17271 (площадь 14 мм2)

Кроме того, данный PMIC-преобразователь потребляет только 330 нА в режиме ожидания и 1,5 мкА в активном режиме.

Заключение

В данной статье мы обсудили проблему реализации эффективных и минимальных по размерам систем управления питанием для устройств с батарейным питанием. Также был показан индивидуальный подход, использующий преимущества архитектуры SIMO в отношении занимаемого пространства и энергопотребления путем выборочной интеграции в один PMIC-преобразователь блоков, необходимых для поддержки требуемых функций, таких как наличие зарядного устройства, линейного стабилизатора, драйверов светодиодов и так далее.

Такой подход к управлению питанием позволяет обеспечивать наименьшее по размерам и самое эффективное по мощности решение для построения системы управления питанием портативных устройств.

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. 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

Перевел Антон Золотиков 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
MAX77278EWB+T (MAX)
MAX77278EVKIT# (MAX)
MAX77278EWB+ (MAX)
MAX77640AEWV+T (MAX)
MAX77640EVKIT# (MAX)
MAX77640AEWV+ (MAX)
MAX17271ENE+T (MAX)
MAX17271ETE+T (MAX)
MAX17271ETE+ (MAX)
MAX17271EVKIT# (MAX)
MAX17271ENE+ (MAX)