可穿戴設備：如何延長電池續航時間

摘要：隨著可穿戴設備的普及，人們越來越注重可穿戴設備電池續航能力。本文介紹了一種用于滿足可穿戴設備最重要的低功耗設計要求的新型降壓一升壓穩壓器。實驗證明支持自適應限PFM模式的新型降壓一升壓穩壓器可滿足這些要求，從而延長電池續航時間，使下一代可穿戴設備能夠連續工作更長時間且工作溫度更低。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/279214.htm

關鍵詞：可穿戴設備；電池；LDO

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.8.004

技術行業與市場研究者非?？春每纱┐髟O備，可穿戴設備已在幫助各個年齡段的消費者監控日常健身活動和管理工作及個人日程。據市場調研公司ABI Research預測，可穿戴設備市場將以56.1%的年均復合增長率增長，出貨量到2018年達到4.87億單元。由于消費者對設備性能的期望不斷上升，所以系統設計工程師面臨著設計更小、更高效和功能豐富的解決方案的挑戰。

現在的可穿戴設備包括智能手表，如三星Gear智能手表和蘋果手表，它們提供網絡連接、高質量顯示屏和許多特性。另外還有面向健身的可穿戴設備，如Fitbit Flex和JawboneUP4，它們都為數據采集和健身跟蹤而進行了優化。隨著可穿戴設備變得越來越流行，消費者都很關心設備的充電周期有多長。電池續航時間是消費者在決定購買哪種可穿戴產品時所考慮的最重要因素之一。

本文介紹了一種用于滿足可穿戴設備最重要的低功耗設計要求的新型降壓一升壓穩壓器。首先考察典型可穿戴系統的框圖設計，然后分析新型降壓一升壓穩壓器如何增加功率效率，以延長電池續航時間。本文分析新型穩壓器如何使用自適應限流脈沖頻率調制（PFM）和強制旁路模式提供從降壓到升壓的平滑轉換，以防止可穿戴設備應用中的信號毛刺，輕負載效率和快瞬態響應在這些應用中至關重要。

1 可穿戴設備需要降壓一升壓功能

典型的可穿戴設備電源解決方案使用至少三個DC-DC穩壓器和3-5個LDO，這會占用寶貴的電路板空間。LDO也欠缺降壓一升壓穩壓器的高效率和可靠性。例如，當使用LDO為配備輸出電壓約為3.3V的鋰離子電池的系統外設供電時，來自應用處理器的大突發電流會造成Vin下降到LDO調節電壓以下，造成內存重置或應用關斷。ISL9120降壓一升壓開關穩壓器（見圖1）解決該問題的方法是提供更寬Vin范圍和升壓功能，以避免在Vin降至低于輸出電壓時由于低壓毛刺造成電池掉電。只需一個采用1.41mmxl，41mm小尺寸封裝電感即可實現上述目標，設計工程師無需再在效率或外形上做出妥協。

ISL9120提供1.8V-5，5V輸入電壓和1V-5.2V可調節輸出電壓，使設計工程師能夠靈活地滿足各種設計需求。其支持強制旁路模式的自適應PFM工作模式和2A開關以高效率支持低負載和高負載電流，確保延長電池續航時間和減少熱量生成。該穩壓器還以2.5V輸入電壓和3.3V輸出電壓提供800mA電流。在系統處于無需穩壓器的待機（stay alive）條件期間，其進入強制旁路模式，這可減小功耗，使靜態電流小于0.5μA。

2 近距離審視可穿戴設備

典型可穿戴設備架構中包括微處理器、內存、顯示器、傳感器、通信IC和電池充電塊等元件。圖2顯示了用于基礎可穿戴設備的典型電源系統。

首先，討論降壓一升壓穩壓器如何為可穿戴系統增加價值。對需要約3.3V-3.6V輸入電壓的應用，降壓一升壓穩壓器高效地使用電壓范圍為4.375V-2.5V的廣泛新型化學電池。降壓一升壓穩壓器在電池電壓（Vbat）為2.5V-3V時處于純升壓模式、然后在Vin≥3V和<3.9V時處于降壓一升壓模式，最后在Vbat=3.9V-4.5V時處于純降壓模式。

3 LDO獲得來自預穩壓器的幫助

諸如Wi-Fi和顯示模塊等多種應用由一個LDO供電，如果電力直接來自電池，則這些外設會產生大功率損耗，因為LDO的效率等于Vout除以Vin。在較高負載時，LDO的功率損耗更高并產生更多熱量。將降壓一升壓轉換器用作LDO的預穩壓器有助于提高系統效率。此外，利用該配置，LDO始終經歷恒定Vin（降壓一升壓輸出）功率損耗，而不是在直接用電池供電時會產生的更大功率損耗。

另外，增加更多穿戴設備特性還要求更快的處理速度，這推動了對更高效的電源管理的需要。當多個應用同時工作時，短時大電流脈沖會造成局部節點電壓降至建議輸入范圍以下，并會造成應用關斷。這種行為非常有害，可通過將降壓一升壓轉換器用作這些設備的預穩壓器予以避免，例如液晶顯示器（LCD）和由LDO供電的應用。

ISL9120降壓一升壓穩壓器在低負載和高負載條件下均提供優異的效率。如圖3所示，其自適應PFM工作模式可幫助它在較高負載時實現高達98%的效率、在較低負載條件時達到86%以上的效率。這可確保降低功耗和減少熱量生成，從而延長電池續航時間，并通過消除對外部散熱器的需要而節省電路板空間。為在輸出電流范圍上實現效率優化，ISL9120實施多級限流方案，從350mA到2A分為32個等級。

如圖4所示，從一個等級到另一個等級的轉換由一個PRM脈沖串中的脈沖數量決定。在既定的峰值限流等級下，脈沖數量會隨著輸出電流的增加而增加。當脈沖數量達到現有限流的上限閾值時，限流轉換到下一個更高等級。同樣，如果脈沖數量達到現有限流的下限閾值，則器件將轉換到峰值限流的下一個較低等級。如果脈沖數量在最高限流時達到上限閾值，則限流將不再上升。ISL9120還支持強制旁路模式，這時無需輸出調節。其系統待機模式實現了小于0.5μA的超低靜態電流消耗。例如，降壓一升壓穩壓器會在給LDO供電且LDO處于輸出電流接近零的待機模式時，施加強制旁路模式。在此條件下，使降壓一升壓穩壓器進入旁路模式對LDO基本沒有影響，還會為穩壓器節省41μA的靜態電流消耗。

仔細觀察圖2可以看出，使用降壓一升壓穩壓器的可穿戴設備應用具有優勢。例如，心率監視器傳感系統需要約3.3V輸入電壓，系統設計工程師通常建議使用2-3個LED來進行準確的心率監視，因為這對可穿戴設備放置的依賴較小，并適用更廣泛的最終用戶。但該配置需要更大的電流消耗。將ISL9120用作預穩壓器非常適合這種應用，因為電池可直接給其供電，從而提供更高的系統效率（更長電池續航時間）、對輸入擾動的更高抵抗力以及極低輸出紋波。當心率監視器不工作時，可使ISL9120進入旁路模式，這時只消耗0.5μA電流，直至被喚醒。

可穿戴LCD尺寸小并且通常使用一個白光LED背光燈。如圖2所示，現有解決方案使用SV升壓來給LCD塊供電。廣泛的小尺寸（1-2英寸）LCD可使用3V-3.6V而非SV電源供電。這使降壓一升壓穩壓器對實現更高效的電源設計非常具有吸引力。最后，可穿戴設備具有集成Wi-Fi的趨勢，該系統通常需要3.3V供電電壓和低輸入紋波。由于可穿戴設備的空間限制，小而緊湊的設計是基本要求。同樣，這時ISL9120用作預穩壓器非常合適。

4 結論

現在的高性能應用處理器和圖形處理器單元結合更高集成度和更小外形、以管理越來越多的可穿戴設備功能。面對這些不斷增多的設計挑戰，高效的電源管理現在變得尤其重要。事實證明，支持自適應限流PFM模式的新型降壓一升壓穩壓器可滿足這些要求，從而延長電池續航時間，使下一代可穿戴設備能夠連續工作更長時間且工作溫度更低。