Estendere la durata della batteria per dispositivi acustici e indossabili » Electronicsmedia

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I consumatori si aspettano che gli apparecchi acustici, indossabili e altri dispositivi elettronici ultra-piccoli abbiano una lunga durata della batteria nonostante il loro formato ridotto. Tuttavia, chiaramente, le dimensioni del dispositivo limitano la capacità della batteria. Questo articolo illustra come recuperare parte di quello spazio utilizzando un regolatore di commutazione basato su un’architettura di convertitore di potenza a induttore singolo e uscita multipla (SIMO). L’architettura SIMO, insieme alla bassa corrente di quiescenza dei regolatori, consente al circuito integrato di prolungare la durata della batteria per prodotti elettronici con vincoli di spazio.

Questo documento ti aiuterà ad acquisire una comprensione più profonda della tecnologia SIMO e del suo funzionamento. Imparerai anche i circuiti integrati di gestione dell’alimentazione (PMIC) dotati del regolatore SIMO che riduce la dissipazione di potenza e il numero complessivo di componenti, fornendo al contempo la stessa funzionalità delle soluzioni tradizionali in meno della metà dello spazio.

introduzione

Soddisfare le esigenze di durata della batteria dei piccoli dispositivi

Quando indossi gli auricolari per una lunga escursione o per un pomeriggio di lavoro su un grande progetto, non vuoi essere interrotto dovendo fermarti per ricaricare gli auricolari. Ti aspetti che i tuoi dispositivi acustici, indossabili e altri piccoli dispositivi elettronici alimentati a batteria funzionino in modo affidabile per lunghi periodi di tempo.

Dal punto di vista del design, queste aspettative degli utenti sono un compito arduo da soddisfare. I vincoli del fattore di forma impongono la necessità di una piccola batteria Li+, che deve durare a lungo tra un ciclo di ricarica e l’altra e essere utilizzata con parsimonia. Gli alimentatori, a loro volta, devono soddisfare i distinti e diversi requisiti di tensione dei sottosistemi all’interno del progetto.

L’architettura SIMO fornisce una soluzione ottimale per questi sistemi, integrando funzionalità che altrimenti richiederebbero più componenti discreti. Diamo uno sguardo più da vicino a cos’è un’architettura SIMO e come funziona per i regolatori buck-boost.

Panoramica dell’architettura SIMO

In una topologia tradizionale del regolatore di commutazione, ciascun regolatore di commutazione necessita di un induttore separato per ciascuna uscita (Figura 1) poiché ciascuna linea di tensione deve essere servita da un singolo induttore. Gli induttori sono fisicamente grandi e costosi, quindi questo è uno svantaggio per i prodotti con fattore di forma ridotto. I regolatori lineari offrono un’altra opzione: sono veloci, compatti e poco rumorosi, ma sono anche con perdite. Esiste anche l’alternativa ibrida che prevede l’utilizzo di più regolatori a bassa caduta di tensione (LDO), insieme ai convertitori CC-CC. Tuttavia, anche se questa configurazione comporterebbe una dissipazione di potenza e calore intermedia, garantisce comunque un design più ampio rispetto ai soli LDO.

Figura 1. Architettura tradizionale per un regolatore a commutazione buck-boost.

Il convertitore SIMO buck-boost in dotazione può regolare fino a tre tensioni di uscita su ampi intervalli di tensione di uscita utilizzando un singolo induttore. La topologia buck-boost aiuta a utilizzare meglio l’induttore poiché richiede meno tempo per servire ciascun canale rispetto a un SIMO solo buck. La debolezza di un SIMO solo buck viene amplificata quando una o più tensioni di uscita si avvicinano alla tensione di ingresso. Un SIMO solo buck soffrirà quando la tensione di uscita si avvicina alla tensione della batteria. In questo momento, una SIMO buck-only richiede l’induttore per troppo tempo, con un impatto sugli altri canali.

A volte non è possibile evitare un induttore nel sistema. Anche se di piccole dimensioni, un LDO non potrà mai fornire da solo una funzione di potenziamento. Poiché il SIMO richiede un solo iduttore, le soluzioni che richiedono almeno una tensione di boost sono quasi sempre migliori con un SIMO buck-boost.

Figura 2. Diagramma a blocchi dell’architettura SIMO.

La corrente di saturazione dell’induttore (Isat), una misura della caduta di induttanza a una determinata percentuale che corrisponde a una particolare corrente elettrica, è proporzionale alla dimensione del nucleo dell’induttore per un dato materiale e struttura del nucleo. L’utilizzo di un induttore in un’architettura SIMO offre vari vantaggi rispetto all’utilizzo di convertitori CC-CC separati:

• Se consentito dal sistema, è possibile utilizzare meglio l’altezza Z
• Il risparmio sui costi e l’ingombro risultano migliorati poiché non è necessario utilizzare tanti induttori rispetto alla soluzione tradizionale
• Multiplexing temporale, quando spesso diverse funzionalità non vengono utilizzate contemporaneamente. Questo vantaggio si manifesta quando la corrente di alimentazione totale è inferiore alla somma dei requisiti di uscita individuali. Ad esempio, potresti avere eventi che si verificano in sequenza utilizzando tensioni rail diverse. In alcuni sistemi Bluetooth, ad esempio, i dati possono essere scaricati prima dell’attivazione di una funzione. Ciò significa che l’alimentazione associata alla radio è attiva in orari diversi rispetto alle funzioni attivate. Pertanto, l’Isat totale richiesto per l’induttore SIMO è inferiore a quello richiesto per convertitori separati.
• RMS (corrente nominale per gli induttori): anche se i canali non sono multiplexati nel tempo, il consumo energetico di picco delle funzionalità spesso non si verifica contemporaneamente, il che può anche ridurre i requisiti Isat totali dell’induttore

Superare i compromessi dell’architettura SIMO

L’utilizzo di un’architettura SIMO non è privo di compromessi. Pertanto, è importante un approccio ponderato al design. Ad esempio, l’ondulazione della tensione di uscita sarà spesso maggiore perché è presente un singolo induttore che fornisce quantità di energia alle uscite alternate. Inoltre, poiché un SIMO è fortemente caricato, diventa limitato nel tempo e possono verificarsi ritardi nella manutenzione di ciascun canale, il che può aumentare ulteriormente l’ondulazione della tensione di uscita. L’utilizzo di condensatori di uscita più grandi compensa queste fonti di ondulazione della tensione di uscita mantenendo un vantaggio in termini di ingombro netto/distinta base.

I nuovi circuiti integrati di gestione dell’alimentazione (PMIC) di Maxim, MAX77650 e MAX77651, forniscono un attento equilibrio tra questi compromessi. Questi PMIC sono stati progettati con convertitori CC-CC buckboost SIMO a micropotenza. Un regolatore a bassa caduta di tensione (LDO) integrato da 150 mA nei PMIC fornisce la reiezione del ripple per applicazioni sensibili al rumore come l’audio. I resistori opzionali (24Ω) in serie con la linea dati seriale (SDA) e la linea di clock seriale (SCL) riducono al minimo la diafonia e la sottoelongazione sui segnali del bus, proteggendo allo stesso tempo gli ingressi del dispositivo da picchi di alta tensione sulle linee del bus. Ogni blocco di questi regolatori ha una bassa corrente di quiescenza (1μA per uscita), che aiuta a prolungare la durata della batteria dell’applicazione finale. Poiché il circuito integrato funziona sempre in modalità di conduzione discontinua (DCM), la corrente dell’induttore va a zero alla fine di ogni ciclo per ridurre ulteriormente la diafonia e prevenire l’oscillazione.

Il convertitore SIMO utilizza l’intero intervallo di tensione della batteria, poiché ciascuna uscita ha il vantaggio di essere una configurazione buck-boost, che crea tensioni di uscita superiori, inferiori o uguali alla tensione di ingresso. Poiché la corrente di picco dell’induttore per ciascuna uscita è programmabile, è possibile ottimizzare l’equilibrio tra efficienza, ondulazione dell’uscita, interferenza elettromagnetica (EMI), progettazione PCB e capacità di carico. L’efficienza di questi circuiti integrati è valutata superiore all’85% con un’uscita di 3,3 V.

Questa architettura SIMO trova l’equilibrio ottimale tra basso consumo energetico e fattore di forma. Il basso consumo energetico può essere molto importante per applicazioni molto piccole che non sono in grado di dissipare molto calore. La Figura 3 illustra come il PMIC MAX77650 sia ottimale in termini di dissipazione del calore e fattore di forma rispetto alle configurazioni che utilizzano convertitori CC-CC con più LDO o semplicemente più convertitori CC-CC.

Figura 3. Il PMIC MAX77650 offre una bassa dissipazione del calore e un ingombro ridotto per dispositivi alimentati a batteria con vincoli di spazio, come apparecchi acustici e indossabili.

Lo schema di controllo SIMO nel MAX77650/1 prevede un controller proprietario che garantisce che tutte le uscite vengano servite in modo tempestivo. Se non ci sono regolatori che richiedono assistenza, la macchina statale rimane semplicemente in uno stato di basso consumo. Una volta che il controller riconosce che un regolatore necessita di assistenza, carica l’induttore fino al raggiungimento del limite di corrente di picco. Successivamente l’energia dell’induttore si scarica nell’uscita associata finché la corrente non raggiunge lo zero. Se più canali di uscita richiedono manutenzione contemporaneamente, il controller garantisce che nessuna uscita utilizzi tutti i cicli di commutazione. Ciò che accade invece è che i cicli si alternano tra tutti gli output che richiedono assistenza. Le uscite che non necessitano di assistenza vengono saltate.

L’architettura SIMO offre anche una funzionalità di avvio graduale, che riduce al minimo la corrente di spunto. Questa funzione di avvio graduale viene implementata limitando la velocità di variazione della tensione di uscita durante l’avvio. Per uno spegnimento completo e tempestivo delle periferiche del sistema, ciascun canale buck-boost SIMO è dotato di una funzione di scarica attiva che viene abilitata automaticamente in modo indipendente per ciascun canale SIMO in base allo stato del regolatore SIMO (la funzionalità di scarica attiva può anche essere disabilitata tramite IO²C).

Prestazioni energetiche: SIMO e architettura convenzionale

La Figura 4 mostra un diagramma a blocchi per un possibile albero di potenza che utilizza MAX77650. Come puoi vedere, tre dei quattro carichi si collegano alla batteria Li+ tramite il regolatore di commutazione SIMO ad alta efficienza. Il quarto carico è alimentato dall’LDO dell’uscita SIMO da 2,05 V, raggiungendo un’efficienza del 90,2% (1,85 V/2,05 V). La tabella 1 confronta le prestazioni energetiche tra un’architettura tradizionale e l’architettura SIMO. (Per ulteriori approfondimenti, fare riferimento alla Soluzione di progettazione, collegamento “Gli apparecchi acustici ottengono una vita più lunga con SIMO” incluso nella sezione Ulteriori informazioni di seguito.)

Figura 4. Il PMIC MAX77650 offre una bassa dissipazione del calore e un ingombro ridotto per dispositivi alimentati a batteria con vincoli di spazio, come apparecchi acustici e indossabili.

È disponibile un calcolatore SIMO per aiutarti a esplorare i compromessi associati ai parametri SIMO. Consulta la sezione Ulteriori informazioni di seguito per un collegamento al calcolatore.

L’ondulazione della tensione di uscita SIMO è una funzione di:

1. Condensatore di uscita
2. Induttanza
3. Impostazione della tensione di uscita
4. Impostazione del limite della corrente di picco

La corrente di uscita disponibile SIMO è una funzione di:

1. Tensione di ingresso
2. Tensione di uscita
3. Impostazione del limite della corrente di picco
4. Corrente di uscita degli altri canali SIMO

La frequenza di commutazione SIMO è funzione di:

1. Tensione di ingresso
2. Tensione di uscita
3. Limite della corrente di picco
4. Induttanza

Nella scheda Calcolatrice di questo strumento basato su fogli di calcolo, puoi semplicemente inserire i parametri di sistema nella cella dei valori corrispondente nella sezione superiore delle righe. I valori calcolati ritenuti più interessanti sono evidenziati in giallo. Se un parametro viene considerato esterno alla regione normale, la cella verrà evidenziata in rosso. La sezione commenti fornisce indicazioni su come migliorare il tuo design.

Riepilogo

Per gli apparecchi acustici, indossabili e dispositivi elettronici altrettanto piccoli alimentati a batteria, una lunga durata della batteria è essenziale per la soddisfazione del cliente. Rispetto alle tradizionali topologie buck-boost, l’architettura SIMO riduce il numero dei componenti e spesso prolunga la durata della batteria. Questo articolo ha esaminato i PMIC integrati con i regolatori di commutazione SIMO, ideali per affrontare le sfide delle applicazioni a bassissimo consumo e con vincoli di spazio.