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編者按：設計可穿戴物聯網 (IoT) 產品時經常面臨兩難的選擇，這也突顯了可靠、穩定的電源系統設計的必要。這種設計的具體考慮因素涵蓋以下可穿戴產品特性：產品的緊湊外形尺寸、對無線通信的依賴性、對高效電池供電管理的需求以及合規性挑戰。本文將針對基于降壓-升壓開關穩壓器的電源系統設計如何解決并滿足這些設計挑戰來展開討論。為此，我們還探討了一些市售元器件的操作規范。同時 LTE 蜂窩收發器模塊的電源要求、降壓-升壓開關穩壓器的性能指標以及鉭電容器的降額、ESR 和電容均有涉及。最后，本文還提供了一個電源系統拓撲結構和一個用例，用以證明降壓-升壓穩壓器的實證性能能夠滿足可穿戴物聯網產品的需要。 引言 蜂窩收發器的性能取決于電源軌的可靠性和穩定性。因此，必須做出的設計選擇，以確保充足的功率裕量、適當的接地平面尺寸和足夠低的紋波。當設計被壓縮到可穿戴產品中時，這些選擇會變得更加復雜，因為可穿戴產品不僅需要電池供電，還要符合監管標準。 本文討論了可穿戴物聯網設備會遇到的一些電源設計挑戰，并提出了一種使用市售元器件解決這些挑戰的設計拓撲。全文都會討論關鍵的設計取舍，并提供一些建議的緩解方法。本文的最終目標是提出一種穩健的電源設計拓撲，為設計人員提供一個能在可穿戴物聯網設備的各種限制條件下工作的高效解決方案。 定義挑戰：可靠性和穩定性 在本文中，可靠性定義為，電源系統提供處于無線電收發器（在本例中為蜂窩收發器）工作范圍內的電壓軌的能力。同時這個能力還必須確保拉電流滿足物聯網產品中預期的典型和峰值電流消耗。 穩定性定義為電壓軌上存在的紋波處于設備規格范圍內的能力。這種紋波可能由穩壓器的開關特性引起，也可能由于對電流需求突然躍升而作出瞬態響應所引起。無論原因如何，穩壓器的響應能力都是確定其穩定性的基礎。 蜂窩收發器的電源 毋庸置疑，蜂窩收發器模塊使大小型設備的無線連接達到了前所未有的應用水平。這些設備的集成度越來越高，甚至集成了板載電源穩壓器、溫度補償振蕩器和先進的協處理器。但是，所有這些器件仍然依賴于關鍵的電源參數，即可靠性和穩定性。 以下產品樣本是為了強調后一點。盡管這些產品都可以在市面上買到，并且都適合作為可穿戴物聯網產品的基礎器件，但仍須考慮電源因素。也就是說，如果沒有正確的供電，這些器件都無法發揮最佳性能和能力。 u-blox 表 1 列出了 MPCI-L201-02S-00 蜂窩模塊的電源參數。 
表 1：u-blox 電源參數。 從該表格來看，u-blox 對該模塊的供電有一些相當嚴格的要求。 連接到 VCC 或 3.3 Vaux 引腳的開關穩壓器的特性應滿足以下前提條件才能符合此模塊 VCC 或 3.3 Vaux 要求： · 電源能力：開關穩壓器及其輸出電路必須能夠向 VCC 或 3.3 Vaux 引腳提供指定工作范圍內的電壓值，并且必須能夠在使用最大傳輸功率（TOBY-L2 或 MPCI-L2 系列規格書中規定）進行突發傳輸 (Tx) 期間提供最大峰值/脈沖電流消耗。 · 低輸出紋波：開關穩壓器及其輸出電路必須能夠提供“干凈”（低噪聲）的 VCC 或 3.3 Vaux 電壓曲線。 · 壓降不能超過 400 mV。 在這些要求中，強調了兩個關鍵方面：可靠性和穩定性。不僅電源軌必須在適當的電壓范圍內，紋波也必須最小化。有趣的是，“紋波”在該要求規格中被分為兩種不同的類型：開關紋波和壓降。第一種可以認為是高頻紋波，與穩壓器的開關有關。第二種是低頻紋波，產生原因可能是電源無法快速響應高電流負載。這可能與穩壓器的性能有關；但也可能來自電源路徑內的過大電阻或電感。 蜂窩開發套件設計中使用的穩壓器很可能就已足夠，但是壁式電源供電的開發套件設計不適合電池供電的可穿戴應用。此外，作為可穿戴產品的必備條件，設計的物理空間縮小也會影響電源路徑內的寄生電阻和電感。單靠適當地選擇穩壓器可能無法解決這種復雜情況，因此需要額外的緩解措施，特別是當這些寄生特征威脅到產品的合規性時。 Digi 表 2 列出了 XBC-V1-UT-001 蜂窩模塊的電源參數。
表 2：Digi 電源參數。 從該表格來看，Digi 對該模塊的供電有一些相當嚴格的要求，具體分析如下： · 電源紋波應小于 75 mV 峰峰值。 · 電源應能夠在 3.3 V 下提供至少 1.5 A 的電流 (5 W)。請記住，在較低的電壓下工作需要電源能夠提供更高的電流，才能達到 5W 的功率要求。 · 在 XBee VCC 引腳上放置足夠的大容量電容，以在涌流期間將電壓維持在最低規格以上。在蜂窩通信初始加電和從睡眠模式喚醒期間，涌流約為 2 A。 · 緊靠 XBee 蜂窩調制解調器 VCC 引腳放置較小的高頻陶瓷電容器，以減少高頻噪聲。 · 使用寬電源走線或電源平面，以確保能夠以最小的壓降滿足峰值電流要求。Colorado Electronic Product Design 建議電源和走線設計應使 XBee VCC 引腳上的電壓在輕負載（約 0.5 W）與重負載（約 3 W）之間的變化不超過 0.1 V。 類似地，對于其他蜂窩模塊，電源軌的穩定性和可靠性也是關鍵考慮因素。但是，這些指示更為具體，它們指出了最大紋波電壓、預期的涌流，并提供了一些電路板布局的幫助提示。 降壓-升壓電源拓撲 – 為電池供電物聯網可穿戴設備提供穩定可靠的解決方案 挑戰就在眼前。設計滿足以下要求的電源系統： · 提供選定模塊工作范圍內的電源軌。 · 提供足夠的電流以滿足模塊的平均和峰值電流需求。 · 滿足上述所有要求，但要確保不超過紋波電壓最大值，同時不允許電源軌中有太大的壓降。 · 做到所有這些的同時，還要限制在適合可穿戴應用的物理空間內，并設法符合與該產品用例相關的監管標準。 如上所述，蜂窩模塊對其電源系統有嚴格的要求。所有這些都可以在有限的物理空間內實現；但是，必須采用更高層次的考慮，才能使產品獲得成功。圖 1 拓撲體現了推薦的方法。
圖 1：高級降壓-升壓開關穩壓器示意圖。（圖片來源：Colorado Electronic Product Design） 這種拓撲的性能優于一些常見的設計替代方案，這些方案也將在下文討論。下面逐一介紹此推薦拓撲的每個方面及其各自帶來的設計挑戰，以及如何應對這些挑戰。 電池和電池組內阻 電池組的內阻將高于電池本身的電阻。這是由于可穿戴應用電池組采用的保護電路、互連線路、保險絲和其他項目導致。表 3 列出了手機中使用的普通小型鋰聚合物電池組的拆解零件，該模型同樣適用可穿戴物聯網設備。
表 3：電池組內阻（逐項列出）。（圖片來源：Battery University Group） 1) 將蜂窩模塊直接連接到電池 在典型的電流消耗下，該電阻不會產生明顯的壓降；但是，在峰值負載下，電池電壓可能會下降 0.13 V – 0.33 V（電壓值取決于所示蜂窩模塊消耗的最小和最大電流）。盡管此壓降可能不會使電源軌跌落到模塊的最小工作值以下，但會產生超出這些蜂窩模塊規格的壓降和紋波。性能將受到影響，因此，不建議直接從電池為模塊供電。 2) 使用更大容量的電容 克服此壓降的另一種嘗試是增加更多的局部電容。但是，這個電容必須在整個電流消耗期間提供足夠的電流，并在產品的整個工作溫度范圍內做到這一點。這本身對于無源元器件而言是難以實現的苛刻要求。 當考慮需要大電容量時，該方法會變得更加復雜。基于電容器的電流公式，
此公式可用于計算給定電壓、電流和時間長度下所需的電容， 等式 2 使用 u-blox 器件作為參考，可以看到大電流脈沖可以保持有效狀態 0.6 ms (4.615 ms / 8)。
圖 2：u-blox 電流消耗曲線。（圖片來源：u-blox） 那么，為了克服 0.26 V 的壓降，在 0.6 ms 的時間內提供 2 A 電流需要多大的電容？使用上面的公式，計算得出的值為 4.62 mF (4.62 X 10-3 法拉)。最大的陶瓷電容器最好，因為它們通常具有較低的等效串聯電阻 (ESR)，約為 680 μF，并且通常不是表面貼裝元器件。必須并聯放置幾個這樣的電容器，并且必須考慮壓降額、溫度變化和公差。還可選擇大容量鉭電容器，但是對于這些鉭電容器，ESR 限制了可以提供的電流量。同樣，必須并聯放置幾個這樣的電容器，以解決這些元器件的不良寄生特性。 事實上，不得不使用的多個電容器會消耗可穿戴產品中本已受限的寶貴電路板空間，并會大幅增加物料清單成本。此外，每次更換電池或電源路徑中的任何其他部件時，都必須重新設計電容。這些限制使得電容解決方案在解決這種設計考慮時會產生諸多問題。 降壓-升壓開關穩壓器 降壓-升壓穩壓器是這種電源設計拓撲的核心。本節將介紹兩種市售的降壓-升壓穩壓器。對于可穿戴物聯網應用而言，兩者都是合適的選擇。但是，在深入探討這些細節之前，以下幾點將有助于解釋使用此類穩壓器的必要性。 1) 單靠降壓穩壓器不夠 在這一點上，我們之前討論過將蜂窩模塊直接連接到電池并不是一種好的設計選擇。但是，本節進一步表明，雖然使用降壓穩壓器會比直接連接電池有所改進，但它仍然不是一種適用于大多數可穿戴物聯網用例的設計選擇。升壓是必需的，下面解釋了原因。
圖 3：鋰電池（標稱 3.7 V）在 0.2 C、0.5 C 和 1 C 的放電電流下的放電曲線。（圖片來源：Innovative Battery Technology） 當電池剩余 20% 的電量時，電池的電壓可能在 2.8 V 至 3.7 V 的范圍內。此時，當電壓低于 3.0V 時，欠壓保護電路可能會斷開電池連接。基于此點，假定對于剩余 20% 容量的電池，“有效”電壓范圍為 3.7 V – 3.0 V。將這一信息與降壓穩壓器要求輸入電壓大于或等于輸出電壓這一事實相結合，設計上的難題開始凸顯。 如果 VOUT 設置為 3.3 V，并且使用降壓穩壓器，則最低可用電池電壓將是蜂窩模塊拉動其峰值電流時電池所能維持的值，只要該值是 3.3 V 或更大。 在數學上，效率的計算方法為：
重新整理該公式：
假設降壓穩壓器的效率為 90%，那么如果設計采用了 u-blox 模塊，則降壓穩壓器必須提供 3.3 V * 2.5 A = 8.25 W。這意味著輸入功率必須為 8.25 W/0.9 = 9.2 W。 應用公式
可以看出，電池在其電池標稱值 3.7 V 下，必須提供 2.49 A 電流。但是，這是提供給穩壓器的電流，它必須首先通過電池組的串聯電阻。因此，實際電池電壓必須是穩壓器輸入端的電壓與電池組串聯電阻兩端的壓降之和：3.7 V + (2.49 A * 0.13 歐姆) = 4.02 V。因此，在電池組的串聯電阻上得出 0.32 V 的壓降。 這意味著該電池的最低可用值應為 3.3 V + VSeries_Resistance = ~3.62 V。如果電池組的電壓低于此值，則降壓穩壓器的輸入電壓將不再大于或等于輸出電壓，因此，穩壓將失敗。這種穩壓失敗將導致蜂窩模塊的電源軌下垂，并且還將違反紋波電壓和下垂要求。性能會受到影響。 2) 其他考慮 簡而言之，降壓-升壓穩壓器的升壓部分可讓系統使用電池組最后剩余的 20% 容量。借助降壓-升壓功能，只要電池能維持對穩壓器的供電，模塊的電源軌就會得到支持，而不會在電池仍剩余電量的情況下過早停止工作。 值得注意的是，使用降壓-升壓穩壓器時，最后 20% 的電池電量將比之前的 80% 消耗得更快。這是由于一旦輸入電壓低于輸出電壓設定點，所需的輸入電流就會增加。但是，在選擇電池組的最大放電電流時，應考慮到這種電流增加情況。 3) 產品示例 – Renesas ISL91110 下圖展示了該零件的功能。該零件具有從輕負載運行到重負載運行的自動切換功能。這可有效提高輸出電流全工作范圍內的效率。
圖 4：Renesas ISL91110 效率與 VIN 的關系。（圖片來源：Renesas）
圖 5：Renesas ISL91110 0 A 至 2 A 負載瞬變（VIN = 3.6 V，VOUT = 3.3 V）。（圖片來源：Renesas） 4) 產品示例 – ON Semiconductor FAN49103 該零件也具有從輕負載運行到重負載運行的自動切換功能。盡管此參數適合設置為 3.4 V（而不是 3.3 V）的輸出電壓，但該零件仍可用于此示例應用。
圖 6：ON Semiconductor FAN49103 效率與 I 負載 (mA) 的關系。（圖片來源：ON Semiconductor）
圖 7：ON Semiconductor FAN49103 0 A 至 2 A 負載瞬變（VIN = 3.6 V，VOUT = 3.4 V）。（圖片來源：ON Semiconductor） 局部電容器 局部電容器擔負著兩個重要的功能：提供局部儲能以滿足負載電流的突然增加，以及濾除可能對性能不利的高頻瞬變和紋波電壓。 該設計布局中的建議電容器布置至關重要。應采用建議的方式布置電容，以確保使用“最干凈”的電壓軌為蜂窩模塊供電。這意味著緊鄰蜂窩模塊的電容器必須具有最低的 ESR 和 ESL。事實上，它們的實際額定電容可以在微微法拉范圍內。建議使用 C0G 陶瓷電容器。 現在，盡管這些小容量電容器可以很好地完成高頻濾波，但它們幾乎沒有儲能。為了實現這一目標，在距蜂窩模塊電源引腳最遠的位置放置一個數百微法拉范圍的較大鉭電容器。這并不意味著距離很遠；只是它的放置位置沒有前面提到的陶瓷電容器那么近。這種大電容器的另一個重要特征是，在預期電流瞬變的基本頻率下，其 ESR 較低。建議的 ESR 值為 100 mΩ @ 100 KHz。 圖 8 說明了 MPCI u-blox 蜂窩模塊的建議布局。
圖 8：u-blox MPCI-L2 系列的建議局部電容器布局方案。（圖片來源：u-blox） 在圖 8 中，C1 至 C3 是低容量、低 ESR、低 ESL 的 C0G 電容器。C4 – C5 是 0.1 – 10 μF 范圍內的陶瓷電容器。最后，C6 是大容量鉭電容器，它在瞬態負載電流的基本頻率下具有低 ESR。 選擇額定電壓以減輕降額極為重要。對于陶瓷電容器尤其如此。 本節最后介紹了幾種市售的電容器。提供了適用的參數。 1) KEMET 零件編號：T520D337M006ATE045 電容：330 μF 容差：20% 額定電壓：6.3 V ESR @ 100 KHz： 45 mΩ 2) Panasonic Electronic Components 零件編號：6TPF470MAH 電容：470 μF 容差：20% 額定電壓：6.3 V ESR @ 100 KHz： 10 mΩ 布局設計注意事項 雖然每個選定元器件的規格書中都列出了其特定的布局建議，但也有一些通用的布局指南，可以實現高效和低噪聲性能。 1) 接地和電源灌銅 盡可能使用多邊形灌銅。對于輸入電壓、輸出電壓、電感器和接地節點的連接尤其如此。簡而言之，不要讓銅層閑置，因為這些銅層為電流流動（其中包括任何雜散或開關電流）提供了低電阻和低電感路徑。圖 9 是 Linear Technology 的 LTC3113 降壓-升壓穩壓器的建議頂層布局，它很好地說明了傾向灌銅的原因。
圖 9：Linear Tech LTC3113 的建議頂層布局。（圖片來源：Linear Technology） 2) 吸收電路 雖然我們已經盡一切努力減少寄生電阻和電感，但這是尺寸受限的可穿戴式設計。接地平面和電源平面無法達到應有的大小。此布局中的配置應允許放置 RC 吸收電路。雖然這些元器件最初不需要填充，但是如果豫留好填充區域，將給設計人員帶來靈活性，以防需要此電路來減少輻射。 這些寄生元件會導致開關電流內產生瞬時振蕩（圖 10）。
圖 10：降壓穩壓器開關電感器電流中的瞬時振蕩。（圖片來源：ROHM Semiconductor） 現在，如前所述，因為要滿足空間要求，這可能是不可避免的問題。圖 11 所示的吸收電路會將這些雜散能量吸向地面。如果不這樣做，這些振蕩可能會使設計的排放量超出合規的可接受限制。吸收電路是空間受限穩壓器的有用靜噪工具。
圖 11：降壓穩壓器的建議 RC 吸收電路位置。（圖片來源：ROHM Semiconductor） 3) 鐵氧體磁珠 最后一個建議是解決隨著輸出功率產生的任何持續性高頻噪聲。選擇在關鍵頻率下具有適當衰減的大電流鐵氧體磁珠，與降壓-升壓穩壓器的輸出串聯。且應該放置在穩壓器的輸出與大容量旁路電容器之間。 案例研究 – 為 u-blox SARA 模塊供電的 LTC3113 SARA 模塊是一款 3G 蜂窩收發器。就像前面提到的蜂窩模塊一樣，它也會因為串聯電阻的原因，在涌流中消耗大電流，導致電池電壓下陷。圖 12 中的 LTC3113 降壓-升壓開關穩壓器電路旨在用于為該設計維持穩定、可靠的 3.3 V 電源軌。
圖 12：LTC3113 降壓-升壓開關穩壓器電路案例研究。（圖片來源：Colorado Electronic Product Design） 這種穩壓器設計與如圖 12 所示布置的局部旁路電容器相結合，在所有消耗的工作電流下都能產生穩定的電源軌。圖 13 的示波器曲線圖捕獲了 SARA 消耗的電流（藍色）、來自降壓-升壓穩壓器的 3.3 V 輸出電源軌（綠色）、輸入電池電壓和該電源軌上的任何下陷（紫色）以及在輸出電源軌上測得的紋波電壓（橙色）。 可以看出，這種大電流尖峰不會在 3.3 V 穩壓輸出軌上引起下陷或明顯紋波。但是，這確實會導致輸入軌下陷。
圖 13：LTC3113 降壓-升壓開關穩壓器電路案例研究，圖中顯示了 SARA 模塊消耗的約 0.9 A 模塊電流（藍色）、3.3 V 輸出軌（綠色）、電池輸入軌（紫色）和 3.3 V 輸出軌紋波（橙色）。（圖片來源：Colorado Electronic Product Design） 同樣，輸出軌的穩定性和可靠性在固態 3.3 V 下保持一致，并且紋波最小。但是，電池輸入軌的電壓下陷約為 0.32 V，這超出了 SARA 模塊的規格，也超出了本文提到的其他模塊的規格。降壓-升壓穩壓器能夠適應這些電流尖峰，并維持適合蜂窩模塊在其所有預期條件下運行的電源軌。 結語 可穿戴物聯網設計給設計工程師帶來了一系列挑戰，而電源系統則處于眾多挑戰的核心。降壓-升壓穩壓器拓撲可在蜂窩模塊的工作條件范圍下提供穩定可靠的電源軌，從而直接解決這些挑戰。這并不是說不需要精心的設計工作。而是說，如果遵循良好的設計規范，該拓撲將發揮作用。隨著可穿戴物聯網設計變得越來越緊湊，對性能的期望也相應提高。如需為緊湊型、高性能可穿戴物聯網設計供電，可考慮這種穩健的拓撲。 致謝：特別感謝 Linear Tech/Analog Devices 和 CEPD (Colorado Electronic Product Design) 的管理層和員工。 來源：Digi-Key 作者：Noah Madinger, Colorado Electronic Product Design (CEPD) |
