優化以通訊為中心的物聯網設備的電源

02-12

　　物聯網(物聯網)的可穿戴設備和其他設備的供電環境是複雜的。由於需要儘可能多地節約能源，電力消耗是非常多變的。通常，物聯網設備花費大量的時間睡覺，因為這提供了最低的功耗——只有在需要測量或傳輸數據時才會醒來。即使是清醒模式之間的差別也很重要。

　　例如，只有幾個子系統需要保持清醒，才能從一個a

/D轉換器中讀取樣本，該轉換器將定期讀取感測器讀數。然而，當通過無線鏈路(如藍牙智能)發送數據時，從處理器到無線前端的許多設備都需要處於活動狀態，並且處於相對較高的功耗狀態。

　　雖然藍牙智能有降低整體能耗的功能，但對於低能耗模式和30兆瓦的高數據速率模式，仍然需要15

mA的電流。需要支持這些不同的模式，意味著PMIC需要能夠快速地從一個超低的能量靜止狀態切換到一個提供高電流幾毫秒的狀態，然後同樣迅速地將系統向下傳輸。這對電力輸送提出了嚴格要求。

　　當處理器從一個低功率休眠狀態移動到活動模式時，當前調用的差異就會導致啟動時間的快速增加和電源傳輸子系統的暫態響應。

　　在IoT網關和集線器中使用的處理器在功耗方面也有很大的差異。雖然他們在睡眠模式上花費的時間更少，但為這些應用程序設計的處理器通常使用動態的時鐘和調壓策略，將功耗調整到那個時候的工作負載。因此，在當前的情況下，會有很大的變化，模式之間的變化會迅速發生。

　　基於TI的功率和MCU部件的典型的以通信為中心的物聯網或可穿戴設備的框圖。

　　圖1:基於TI的功率和MCU部件的典型的以通信為中心的物聯網或可穿戴設備的框圖。

　　對快速瞬態響應的要求可以擴展基於脈寬調製的DC/DC變換器傳統閉環控制策略的能力。通常，PWM電路將變頻器輸出電壓的縮放版本從參考電壓中減去，以建立一個小的誤差信號。這個錯誤信號與通常以固定頻率運行的振蕩器所驅動的普通斜坡信號相比較。比較器輸出操作電源開關的數字輸出。

　　當電路輸出電壓變化時，誤差信號也會發生變化，從而導致比較器閾值發生變化。因此，輸出脈衝寬度也會發生變化。這個工作周期的變化，然後移動輸出電壓，將錯誤信號減少到零，這就完成了控制迴路。

　　基本的PWM策略有很多優點，但為了保證穩定性，閉環控制帶寬通常以相對較低的頻率保持，通常比PWM開關頻率低10倍。因此，瞬態反應會受到影響。

　　遲滯控制提供了一個快速響應的選擇。在最簡單的形式中，它不使用PWM，控制器是一個比較器，它的兩個輸入端子之間有一個小的滯後。一個輸入是轉換器的輸出電壓，另一個是電壓參考。當由於負載的需求增加而產生的輸出電壓下降時，比較器將產生一個高輸出信號，從而激活主輸出晶體管的門驅動，從而為負載供電。這將提高輸出電壓，直到超過了允許的滯後量的參考。下降的比較器輸出然後關閉大門驅動器。

　　通過任何環路比較或誤差放大器來減慢信號的速度，輸出電壓變化之間的延遲僅僅是通過比較器和門驅動程序的傳播速度的延遲。因此，滯回控制策略提供了非常快速的瞬態響應。另一個優點是，滯回控制自然支持負載電流的廣泛變化，從亞毫安的範圍到超過1

A的峰值。

　　一個遲滯電力控制器的電路圖。

　　圖2:滯回功率控制器的電路圖。

　　這種靈活性是以開關頻率的巨大變化為代價的，這可能導致電磁兼容性(EMC)問題，並在供電網路周圍的無源電路中引起共振。在輸出電壓中也有可能不那麼精確，這對於今天的電壓敏感的微控制器和感測器來說是有問題的。

　　混合變流器混合了兩種策略，採用遲滯比較器來控制低負荷典型的深和輕睡眠模式下的輸出軌道，當負載電流通過設定閾值以提供高效率和可預測的頻率響應時，就會進入傳統的PWM模式。該策略的一個例子是LM2650M同步降壓DC/DC變換器，它由德州儀器公司生產，它在3

A到毫安的負載範圍內運行。設備還包括logic-controlled關閉模式,吸引最多25μA從輸入電源。

　　LM2650採用固定頻率的PWM和同步整流，以實現更高的負載效率。在許多應用程序中，效率超過了95%，負載在1 A左右，從0.2 A到2

A，中等到重負荷的效率超過了90%。在較低的負荷下，設備進入一個滯後的「睡眠」模式。LM2650自動進入和退出睡眠模式，因為負載跨越了單獨編程的當前閾值，為模式開關本身允許一定程度的滯後，使用外部電阻器。

　　在滯回模式下，LM2650使用一個比較器，其內置的滯後為30 mV，以1.25

V為中心。因為滯回模式只在低負載下運行，所以開關頻率在幾赫茲到幾千赫茲之間。一個可選的軟啟動特性限制了啟動時輸入電源的電流激增，並提供了一種簡單的方法來對多個電源進行排序。

　　雜訊與滯回模式操作的功耗之間存在權衡。對於EMC來說，更容易對固定頻率進行過濾。因此，邏輯輸入允許用戶覆蓋自動休眠特性，並保持LM2650在PWM模式下，而不考慮負載級別。

　　設計用於低噪音的物聯網設備，如健身可穿戴設備，TI

TPS65720也可以使用低功率的滯回模式，或者使用內置的I2C介面的命令，強制進入固定頻率的PWM模式。然而，如果系統不採樣雜訊敏感的模擬輸入或操作無線電介面，那麼低雜訊的性能可能並不是低功率模式的問題，因為從本地高頻干擾源發出的能量峰值可能很重要。通過使用系統軟體，在需要雜訊敏感的操作時，將設備強制轉換為低雜訊PWM模式，設計人員可以優化物聯網設備的整體能源效率。

　　PWM模式運行在2.25

MHz，以允許較小的電感和電容比直流/直流轉換器更低的核心開關頻率。其結果是，如果典型的0402包用於電阻和電容，則外部組件的總佔地面積可以減少到小於11

mm2。高頻率也提供了更好的瞬態響應。開關頻率允許高q帶通濾波器用於抑制雜散頻率。

　　集成電路還提供了一個200ma的低滴調節器(LDO)輸出，它的輸入電壓範圍在1.8到5.6

V之間，允許它從降壓變換器的輸出或直接從系統電壓提供。小於1的IC支持關閉當前μA僅供設備操作的情況下最基本的電力需求,如驅動一個實時時鐘計數下降到下一個感測器輸入採樣周期。

　　隨著物聯網的發展，我們可以期望在DC/DC轉換器中更關注低功率模式的瞬態性能和效率，但是像LM2650和來自德州儀器的TPS65720這樣的設備為這類設計提供了有效的支持。