可穿戴设备：如何延长电池续航时间

摘要：随着可穿戴设备的普及，人们越来越注重可穿戴设备电池续航能力。本文介绍了一种用于满足可穿戴设备最重要的低功耗设计要求的新型降压 -升压稳压器。实验证明支持自适应限PFM模式的新型降压 -升压稳压器可满足这些要求，从而延长电池续航时间，使下一代可穿戴设备能够连续工作更长时间且工作温度更低。
技术行业与市场研究者非常看好可穿戴设备，可穿戴设备已在帮助各个年龄段的消费者监控日常健身活动和管理工作及个人日程。据市场调研公司ABI Research预测，可穿戴设备市场将以56.1%的年均复合增长率增长，出货量到2018年达到4.87亿单元。由于消费者对设备性能的期望不断上升，所以系统设计工程师面临着设计更小、更高效和功能丰富的解决方案的挑战。
现在的可穿戴设备包括智能手表，如三星Gear智能手表和苹果手表，它们提供网络连接、高质量显示屏和许多特性。另外还有面向健身的可穿戴设备，如Fitbit Flex和Jawbone UP4，它们都为数据采集和健身跟踪而进行了优化。随着可穿戴设备变得越来越流行，消费者都很关心设备的充电周期有多长。电池续航时间是消费者在决定购买哪种可穿戴产品时所考虑的最重要因素之一。
本文介绍了一种用于满足可穿戴设备最重要的低功耗设计要求的新型降压-升压稳压器。首先考察典型可穿戴系统的框图设计，然后分析新型降压-升压稳压器如何增加功率效率，以延长电池续航时间。本文分析新型稳压器如何使用自适应限流脉冲频率调制(PFM)和强制旁路模式提供从降压到升压的平滑转换，以防止可穿戴设备应用中的信号毛刺，轻负载效率和快瞬态响应在这些应用中至关重要。

1 可穿戴设备需要降压-升压功能
典型的可穿戴设备电源解决方案使用至少三个DC-DC稳压器和3-5个LDO，这会占用宝贵的电路板空间。LDO也欠缺降压-升压稳压器的高效率和可靠性。例如，当使用LDO为配备输出电压约为3.3V的锂离子电池的系统外设供电时，来自应用处理器的大突发电流会造成Vin下降到LDO调节电压以下，造成内存重置或应用关断。ISL9120降压-升压开关稳压器(见图1)解决该问题的方法是提供更宽Vin范围和升压功能，以避免在Vin降至低于输出电压时由于低压毛刺造成电池掉电。只需一个采用1.41mm x 1.41mm小尺寸封装电感即可实现上述目标，设计工程师无需再在效率或外形上做出妥协。
ISL9120提供1.8V-5.5V输入电压和1V-5.2V可调节输出电压，使设计工程师能够灵活地满足各种设计需求。其支持强制旁路模式的自适应PFM工作模式和2A开关以高效率支持低负载和高负载电流，确保延长电池续航时间和减少热量生成。该稳压器还以2.5V输入电压和 3.3V输出电压提供800mA电流。在系统处于无需稳压器的待机(stay alive)条件期间，其进入强制旁路模式，这可减小功耗，使静态电流小于0.5μA。

2 近距离审视可穿戴设备

典型可穿戴设备架构中包括微处理器、内存、显示器、传感器、通信IC和电池充电块等元件。图2显示了用于基础可穿戴设备的典型电源系统。
首先，讨论降压-升压稳压器如何为可穿戴系统增加价值。对需要约3.3V-3.6V输入电压的应用，降压-升压稳压器高效地使用电压范围为4.375V-2.5V的广泛新型化学电池。降压-升压稳压器在电池电压(Vbat)为2.5V-3V时处于纯升压模式，然后在Vin≥3V和<3.9V时处于降压-升压模式，最后在Vbat =3.9V-4.5V时处于纯降压模式。

3 LDO获得来自预稳压器的帮助

诸如Wi-Fi和显示模块等多种应用由一个LDO供电，如果电力直接来自电池，则这些外设会产生大功率损耗，因为LDO的效率等于Vout除以Vin。在较高负载时，LDO的功率损耗更高并产生更多热量。将降压-升压转换器用作LDO的预稳压器有助于提高系统效率。此外，利用该配置，LDO始终经历恒定Vin(降压-升压输出)功率损耗，而不是在直接用电池供电时会产生的更大功率损耗。
另外，增加更多穿戴设备特性还要求更快的处理速度，这推动了对更高效的电源管理的需要。当多个应用同时工作时，短时大电流脉冲会造成局部节点电压降至建议输入范围以下，并会造成应用关断。这种行为非常有害，可通过将降压-升压转换器用作这些设备的预稳压器予以避免，例如液晶显示器(LCD)和由LDO供电的应用。


ISL9120降压-升压稳压器在低负载和高负载条件下均提供优异的效率。如图3所示，其自适应PFM工作模式可帮助它在较高负载时实现高达98%的效率，在较低负载条件时达到86%以上的效率。这可确保降低功耗和减少热量生成，从而延长电池续航时间，并通过消除对外部散热器的需要而节省电路板空间。为在输出电流范围上实现效率优化，ISL9120实施多级限流方案，从350mA到2A分为32个等级。
如图4所示，从一个等级到另一个等级的转换由一个PRM脉冲串中的脉冲数量决定。在既定的峰值限流等级下，脉冲数量会随着输出电流的增加而增加。当脉冲数量达到现有限流的上限阈值时，限流转换到下一个更高等级。同样，如果脉冲数量达到现有限流的下限阈值，则器件将转换到峰值限流的下一个较低等级。如果脉冲数量在最高限流时达到上限阈值，则限流将不再上升。ISL9120还支持强制旁路模式，这时无需输出调节。其系统待机模式实现了小于0.5μA的超低静态电流消耗。例如，降压-升压稳压器会在给LDO供电且LDO处于输出电流接近零的待机模式时，施加强制旁路模式。在此条件下，使降压-升压稳压器进入旁路模式对LDO基本没有影响，还会为稳压器节省41μA的静态电流消耗。


仔细观察图2可以看出，使用降压-升压稳压器的可穿戴设备应用具有优势。例如，心率监视器传感系统需要约3.3V输入电压，系统设计工程师通常建议使用2-3个LED来进行准确的心率监视，因为这对可穿戴设备放置的依赖较小，并适用更广泛的最终用户。但该配置需要更大的电流消耗。将ISL9120用作预稳压器非常适合这种应用，因为电池可直接给其供电，从而提供更高的系统效率(更长电池续航时间)、对输入扰动的更高抵抗力以及极低输出纹波。当心率监视器不工作时，可使ISL9120进入旁路模式，这时只消耗0.5μA电流，直至被唤醒。
可穿戴LCD尺寸小并且通常使用一个白光LED背光灯。如图2所示，现有解决方案使用5V升压来给LCD块供电。广泛的小尺寸(1-2英寸)LCD可使用3V-3.6V而非5V电源供电。这使降压-升压稳压器对实现更高效的电源设计非常具有吸引力。最后，可穿戴设备具有集成Wi-Fi的趋势，该系统通常需要3.3V供电电压和低输入纹波。由于可穿戴设备的空间限制，小而紧凑的设计是基本要求。同样，这时ISL9120用作预稳压器非常合适。

4 结论
现在的高性能应用处理器和图形处理器单元结合更高集成度和更小外形，以管理越来越多的可穿戴设备功能。面对这些不断增多的设计挑战，高效的电源管理现在变得尤其重要。事实证明，支持自适应限流PFM模式的新型降压-升压稳压器可满足这些要求，从而延长电池续航时间，使下一代可穿戴设备能够连续工作更长时间且工作温度更低。
参考资料：
[1]了解有关ISL9120高效率降压-升压稳压器的更多信息
[2]观看ISL9120视频概览
[3]下载ISL9120评估板