Увеличение длительности автономной работы портативных устройств Интернета вещей

Рино Розетти (Maxim Integrated)

Повышающие преобразователи широко используются в бытовой электронике для получения стабилизированного напряжения и компенсации падения напряжения литий-ионных батарей под нагрузкой. Новый быстрорастущий потребительский рынок Интернета вещей (IoT) базируется на технологиях глобальной беспроводной сети. Он включает в себя аудио- и видеооборудование, оборудование умных домов и портативные устройства. Тенденции развития IoT в сочетании с использованием так называемой «зеленой» энергии, основанной на снижении потерь и переходе к возобновляемым источникам энергии, требуют уменьшения энергопотребления и увеличения продолжительности автономной работы носимых устройств. В данной статье приведен типовой вариант управления питанием небольших портативных устройств IoT и рассмотрены особенности его работы. Затем мы расскажем о повышающем преобразователе, выполненном по технологии nanoPOWER, который способен преодолеть недостатки типового решения и может работать при минимальном количестве остаточной энергии батареи.

Типовое устройство электропитания носимого устройства

Рис. 1. Пациент с монитором сердечного ритма

Рис. 1. Пациент с монитором сердечного ритма

Носимый кардиомонитор (рисунок 1) представляет собой миниатюрное устройство с длительным временем автономной работы, что приводит к необходимости уменьшить габаритные размеры и снизить потери мощности источника электропитания.

Кардиомонитор питается от щелочного аккумулятора емкостью 100 мА·ч и, при потребляемом токе 100 мкА в рабочем режиме, способен работать без подзарядки в течение трех недель. В дежурном режиме с током потребления не более 4 мкА устройство может находиться до трех лет. Однако типичный стабилизатор напряжения с током собственного потребления 10 мкА в рабочем режиме и 0,2 мкА в дежурном сократит срок хранения (дежурный режим) на 1,8 месяца и продолжительность рабочего режима – на два дня.

Высокий КПД и малые размеры преобразователя напряжения являются противоречивыми требованиями – увеличение частоты коммутации позволяет уменьшить размеры пассивных компонентов, но также увеличивает потери, тем самым снижая КПД. Расширение номенклатуры портативных устройств IoT создает необходимость разработки нескольких вариантов стабилизаторов напряжения с различным набором выходных напряжений и токов нагрузки. Соответственно, производитель устройств IoT будет вынужден нести затраты на поддержание обширной номенклатуры различных типов микросхем стабилизаторов и пассивных компонентов.

Современный технический уровень решения проблемы

Идеальным решением, устраняющим перечисленные выше недостатки, является синхронный повышающий преобразователь напряжения MAX17222, выполненный по технологии nanoPOWER. MAX17222 работает в диапазоне входного напряжения 0,4…5,5 В с ограничением максимального тока дросселя на уровне 0,5 А и позволяет устанавливать выходное напряжения с помощью одного прецизионного резистора. В микросхеме MAX17222 впервые реализован дежурный режим полного выключения (True Shutdown) с током потребления наноамперного диапазона, что позволяет характеризовать MAX17222 как устройство с наномощным потреблением.

Режим полного выключения потребляемого тока

На рисунке 2 показаны основные элементы MAX17222, влияющие на собственный ток потребления в рабочем и дежурном режимах.

Рис. 2. Ток собственного потребления MAX17222 в рабочем и дежурном режимах

Рис. 2. Ток собственного потребления MAX17222 в рабочем и дежурном режимах

Функция True Shutdown отключает выход от входного напряжения питания, исключая протекание тока как в прямом, так и в обратном направлениях, следствием чего является сверхнизкий ток потребления. По сравнению с описанным выше типовым вариантом преобразователя сокращение продолжительности пребывания в трехлетнем режиме хранения составляет всего 3 часа , что достигается благодаря сверхмалому току потребления – 0,5 нА.

При установке высокого уровня на входе разрешения (EN) посредством резистора RPULLUP к собственному току потребления в дежурном режиме добавляется ток, протекающий через резистор RPULLUP. Однако если управление входом разрешения (EN) осуществляется уровнями нуля и единицы от внешнего драйвера с питанием от отдельного внешнего источника – ток в режиме полного выключения MAX17222 составляет всего 0,5 нА.

Малый ток собственного потребления

Как видно из рисунка 2, входной потребляемый ток IQINT MAX17222 составляет 0,5 нА (вход EN находится в разомкнутом состоянии после начального запуска), а выходной ток IQOUT – 300 нА. Для расчета общего входного тока потребления к IQINT необходимо добавить приведенный ко входу выходной ток IQOUT_IN. Поскольку выходная и входная мощности связаны друг с другом через КПД (\(P_{OUT}=P_{IN}\times \eta\)), можно записать следующую формулу (1):

$$I_{QOUT\_\,IN}=\frac{I_{QOUT}\times \frac{V_{OUT}}{V_{IN}}}{\eta}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Для значений VIN = 1,5 В, VOUT = 3 В и КПД η = 85% дополнительный ток потребления составит 705,88 нА.

Суммарная величина входного потребляемого тока IQINGT составляет при этом 706,38 нА, что в 14 раз меньше приведенного выше типового значения. При токе потребления 0,7 мкА сокращение продолжительности рабочего режима составит 3,5 ч вместо двух дней, рассчитанных для приведенного выше типового варианта.

Режим защиты входа EN от переходных процессов

В MAX17222 предусмотрена функция защиты входа EN с подключенным резистором RPULLUP от переходных процессов (режим ETP). После запуска микросхемы встроенная схема защиты обеспечивает поддержание высокого уровня на входе EN при коротких переходных помехах на входе питания IN. Режим ETP дает увеличение потребляемого тока на несколько десятков наноампер.

Установка выходного напряжения одним резистором RSE

В микросхеме MAX17222 для установки выходного напряжения вместо обычного резистивного делителя используется один прецизионный резистор RSEL (рисунок 2). При запуске MAX17222 потребляет ток до 200 мкА в течение примерно 600 мкс для считывания значения RSEL. В рабочем режиме схема контроля RSEL отключается и практически не влияет на ток потребления. Резистор с классом точности 1% позволяет установить одно из 33 дискретных значений выходного напряжения с шагом 100 мВ в диапазоне 1,8…5 В. Установка выходного напряжения таким способом позволяет сократить количество внешних элементов на один резистор и снизить ток собственного потребления.

Высокий КПД

Встроенные МОП-транзисторы MAX17222 имеют малое сопротивление RDSON, что обеспечивает высокий КПД преобразователя даже при работе на достаточно высокой частоте коммутации. При этом высокая частота коммутации позволяет минимизировать габаритные размеры платы.

На рисунке 3 показаны графики КПД MAX17222 для VOUT = 3,3 В при различных значениях VIN. Малый ток собственного потребления позволяет получить высокое значение КПД при токах нагрузки вплоть до единиц микроампер.

Рис. 3. КПД преобразователя MAX17222 в зависимости от тока нагрузки

Рис. 3. КПД преобразователя MAX17222 в зависимости от тока нагрузки

Заключение

Быстрое развитие рынка Интернета вещей (IoT) породило большое разнообразие миниатюрных беспроводных устройств с батарейным питанием. Тенденции в области разработки IoT-устройств направлены на снижение потерь в рабочем режиме и уменьшение тока собственного потребления. Синхронный повышающий преобразователь MAX17222 производства компании Maxim Integrated значительно увеличивает время автономной работы благодаря высокому КПД в рабочем режиме и сверхнизкому току собственного потребления – в дежурном, что делает его идеальным выбором для широкого класса устройств Интернета вещей.

Оригинал статьи

•••

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
MAX17222ELT+ (MAX)
MAX17222ELT+T (MAX)
MAX17222ENT+T (MAX)
MAX17222EVKIT# (MAX)