Atunci când proiectați dispozitive pentru auz și dispozitive purtabile, experiența utilizatorului arată că o durată mare de viață a bateriilor este o cerință cheie. Să presupunem că utilizatorul face o plimbare lungă pe malul mării sau lucrează la un proiect casnic. Probabil că el sau ea nu dorește prea multe întreruperi. Poate fi frustrant să trebuiască să te întrerupi pentru a reîncărca bateriile căștilor. Sau, poate că dvs. dezvoltați un dispozitiv medical tip plasture. Aceste dispozitive pot sta în camere de stocare pentru o perioadă extinsă de timp înainte de a fi puse în uz. Nu ați dori ca bateria plasturelui să fie descărcată atunci când este utilizată.
Extinderea duratei de viață a bateriilor este o provocare chiar și mai mare pentru dispozitivele electronice ultra-mici, datorită dimensiunii dispozitivului care limitează capacitatea bateriei. Din punct de vedere al managementului energetic, o bună soluție pentru aceste tipuri de produse este utilizarea unui stabilizator în comutație bazat pe o arhitectură de convertor de putere SIMO (un singur inductor, ieșiri multiple) care este optimizat pentru curenți statici reduși. Acest articol abordează aspecte legate de arhitectura SIMO și evidențiază motivele pentru care este avantajoasă în aceste tipuri de aplicații.
Figura 1: Exemplu de diagramă energetică pentru un dispozitiv pentru auz.
Randament redus în arhitecturile tipice de management energetic
Într-un sistem tipic de gestionare energetică pentru un dispozitiv dedicat auzului, există un circuit integrat de management energetic (PMIC) care utilizează un încărcător de baterie, un convertor coborâtor de tensiune și un stabilizator cu cădere mică de tensiune (LDO) pentru alimentarea senzorilor. Un LDO dual alimentează microcontrolerul, Bluetooth, și partea audio (vedeți figura 1).
Există, de asemenea, câteva componente pasive externe. Deoarece LDO-urile sunt utilizate pentru trei linii de alimentare în această arhitectură, randamentul global al unei astfel de implementări tipice este de numai 69.5% (vedeți figura 2).
Randament mai ridicat cu arhitectura SIMO
Cum se poate obține un randament mai ridicat? Aici este locul în care iese în evidență arhitectura SIMO. Haideți să ilustrăm modul în care această arhitectură lucrează, utilizând ca exemplu stabilizatoarele ridicătoare/coborâtoare SIMO. Pentru context, într-o arhitectură tradițională ce utilizează comutatoare în loc de LDO-uri pentru a îmbunătăți randamentul, fiecare stabilizator în comutație ar trebui să aibă un inductor separat pentru fiecare ieșire, astfel încât fiecare linie de tensiune să fie deservită de un inductor individual. Inductoarele sunt uzual mari și scumpe, devreme ce dimensiunea lor reflectă capacitatea de curent care este necesară (după cum este măsurată de Isat, curentul total de saturație).
Figura 2: Exemplu de diagramă arborescentă tradițională pentru soluție bazată pe LDO.
Cu toate acestea, a avea prea multe inductoare nu este ideal pentru dispozitivele electronice ultra-mici. O opțiune mult mai compactă ar putea utiliza stabilizatoare liniare, dar ele au pierderi mari. O arhitectură SIMO, pe de altă parte, reduce numărul de in- ductoare necesare, continuând să ofere randamentele de conversie în comutație pe care le așteptați. Mai mult, prin minimizarea numărului de inductoare, un SIMO reduce și mai mult amprenta totală prin comparație cu soluția ce utilizează inductoare multiple.
Figura 3: Diagrama bloc a arhitecturii SIMO.
Figura 3 prezintă o diagramă a noilor stabilizatoare SIMO ridicătoare/coborâtoare de tensiune. Puteți observa că în această arhitectură, există 3 linii individuale de putere, independent programabile, de la un singur inductor. Această abordare reduce numărul de componente, maximizează spațiul de placă disponibil și furnizează randament ridicat. Arhitecturile SIMO numai coborâtoare sunt o opțiune, dar atunci când tensiunea de ieșire se apropie de tensiunea bateriei, dispozitivul ar avea nevoie de inductor prea mult timp, având implicații asupra celorlalte canale. Arhitectura SIMO ridicătoare/coborâtoare de tensiune utilizează inductorul mai eficient, deoarece necesită mai puțin timp pentru a deservi fiecare canal. De asemenea, soluțiile care necesită cel puțin o tensiune mai ridicată sunt aproape întotdeauna mai bune cu un SIMO ridicător/coborâtor.
Cum face SIMO să utilizeze un inductor și încă să atingă randamente ridicate pe fiecare ieșire? La bază este o arhitectură în comutație, care utilizează un inductor. Ea menține pierderile reduse ale convertorului în comutație inductiv prin comutare în stare ON cu aproape zero volți prin dispozitive.
Figura 4: Exemplu de arbore energetic cu utilizarea unui sistem hibrid de LDO-uri și un SIMO.
Acest lucru păstrează disiparea redusă. SIMO adaugă avantajul partajării inductorului pe fiecare ieșire (SBB0, SBB1 și SBB2 din figura 3) utilizând comutatoare cu pierderi reduse, menținând aceleași avantaje legate de randamentul ridicat pe care le așteptați de la un convertor ridicător/coborâtor. Mai jos, în figura 4, este dat un exemplu de arbore energetic hibrid pentru sistemul prezentat în figura 2, refăcut cu utilizarea unui SIMO și cu un LDO cu pierderi mai mici (prin utilizarea unei căderi mai mici de tensiune pe LDO).
Minimizarea compromisurilor de proiectare în dispozitivele pentru auz
Dispozitivele pentru auz se disting față de căștile stereo Bluetooth standard în mai multe căi. Una dintre căi este aceea că dispozitivele pentru auz integrează unul sau mai mulți senzori optici sau inerțiali MEMS. Prin utilizarea fotopletismografiei, un senzor optic integrat poate măsura saturația cu oxigen a sângelui, ritmul cardiac sau semne vitale.
Luând în considerare domeniul tipic al bateriilor Li+, LED-urile trebuie să opereze la un domeniu de tensiune mai ridicat (4V sau 5V) pentru a putea oferi suficientă intensitate luminoasă. Acest lucru impune ca proiectanții să ia o decizie dificilă:
• Să adauge în sistem un convertor ridicător/coborâtor, ceea ce înseamnă un alt circuit integrat
• Să adauge un alt inductor și mai multe condensatoare, o opțiune care ocupă, de asemenea, spațiu suplimentar
• Să accepte o disipare mai mare de putere, ceea ce este nedorit mai ales în sisteme mici
Arhitectura SIMO ridicătoare/coborâtoare oferă un răspuns fără compromisuri. Această arhitectură este capabilă să utilizeze una dintre ieșirile sale pentru o tensiune dorită de până la 5.2V, pentru a comanda LED-urile și pentru a optimiza performanțele senzorului.
Curentul de saturație Isat al unui inductor este o funcție de volumul său de bază. La prima vedere, aceasta poate părea că un SIMO nu oferă avantaje față de convertoarele coborâtoare separate. Totuși, prin comparație cu utilizarea de convertoare DC-DC separate, un singur inductor într-o arhitectură SIMO oferă avantaje semnificative:
• O mai bună utilizare a înălțimii pe Z (atunci când sistemul permite)
• Costul, deoarece nu este nevoie să aveți atâtea inductoare
• Multiplexare timp. Adesea, diferite caracteristici nu sunt utilizate în același timp. Astfel, când un sistem este oprit și altul pornit, ele pot să partajeze curentul lor necesar de saturație, Isat, dacă partajează inductorul. Această abordare este utilă pentru evenimente care se întâmplă secvențial, utilizând diferite tensiuni de linie. Un exemplu este acela al unor sisteme Bluetooth, unde datele pot fi descărcate înainte de a activa o funcție.
• RMS (curentul nominal pentru inductoare) − chiar și când canalele nu sunt multiplexate în timp, adesea consumul energetic de vârf al funcțiilor nu apare simultan, ceea ce poate scădea cerințele totale Isat ale inductorului
• Spațierea dintre inductoare nu este necesară
Tabelul 1 compară avantajele arhitecturii SIMO față de o soluție tradițională de management energetic2.
Compromisurile arhitecturii SIMO și modul de gestionare a lor
Există câteva compromisuri implicate în arhitectura SIMO, dar cu un design atent, ele pot fi gestionate. Tensiunea de riplu este una dintre probleme. Cu un singur inductor care oferă mai multe energii, tensiunea de riplu va fi adesea ridicată. Condensatoare de ieșire mai mari pot ajuta la compensarea acestui riplu. Comparativ cu arhitecturile tradiționale, configurațiile SIMO pot prezenta fenomenul de comunicații încrucișate.
Un exemplu de soluție SIMO care se adresează acestor compromisuri este Maxim MAX77650 PMIC, care este caracterizat de un convertor SIMO DC-DC ridicător/coborâtor de microputere ce implementează trei stabilizatoare în comutație utilizând un singur inductor. Datorită operării sale la înaltă frecvență, PMIC poate utiliza un inductor mic, care economisește și mai mult spațiu pe placă. Într-un singur cip (2.75mm × 2.15mm × 0.8mm WLP), MAX77650 integrează încărcătorul bateriei și stabilizarea pentru alimentarea senzorului (3.3V), microcontrolerului (1.2V), Bluetooth și audio (1.85V). În modul de așteptare, componenta solicită numai 300nA, iar în mod activ, 5.6µA. Randamentul global este de 78.4% conform configurației din Tabelul 1. Un stabilizator cu cădere mică de tensiune (LDO) din PMIC furnizează rejecția riplului pentru aplicațiile sensibile la zgomot, cum ar fi cele audio. Rezistențele opționale (24Ω) în serie cu linia de date serială (SDA) și linia serială de ceas (SCL) minimizează comunicația încrucișată și scăderea pe semnalele de magistrală, protejând în același timp intrările dispozitivului de vârfurile de înaltă tensiune de pe liniile de magistrală. Pentru a extinde și mai mult durata de viață a bateriei pentru aplicațiile finale, fiecare bloc din aceste stabilizatoare are un curent static redus (1µA pe ieșire). PMIC operează întotdeauna în mod de conducție discontinuă (DCM), astfel curentul pe inductor trece în zero la finalul fiecărui ciclu, ceea ce minimizează și mai mult influențele încrucișate și previne oscilațiile.
Convertorul din această arhitectură are o schemă de control SIMO cu un controler patentat care asigură că toate ieșirile sunt deservite în timp util. Atunci când niciun stabilizator nu are nevoie de operare, dispozitivul se află într-o stare de odihnă, caracterizată de un consum energetic redus. Atunci când controlerul recunoaște că unul dintre stabilizatoare trebuie să opereze, el încarcă inductorul până la atingerea limitei de curent de vârf.
Apoi, energia inductorului se descarcă în ieșirea asociată până când curentul atinge valoarea zero. Atunci când mai multe canale de ieșire au nevoie de operare în același timp, controlerul se asigură că nicio ieșire nu utilizează toate ciclurile de comutație. În loc de aceasta, ciclurile conduc la intercalarea tuturor ieșirilor care au nevoie să opereze, lăsându-le de-o parte pe cele inactive. O funcție de pornire lină este implementată prin limitarea vitezei de răspuns pe tensiunea de ieșire în timpul pornirii. Fiecare canal SIMO ridicător/ coborâtor oferă o funcție de descărcare activă care este în mod automat activată independent pentru fiecare canal SIMO pe baza stării stabilizatorului SIMO. Această abordare asigură o întrerupere completă și în timp util a perifericelor sistemului.
Sumar
Clienții se așteaptă ca dispozitivele lor electronice, de mici dimensiuni, sa funcționeze mult timp între încărcări. Totuși, datorită factorilor de formă ultra-mici, extinderea duratei de viață a bateriei este o provocare. Prin comparație cu abordările tradiționale de management energetic, o arhitectură SIMO oferă un randament mai ridicat și o amprentă mai redusă. Un singur inductor deservește mai multe ieșiri, îndepărtând din ecuație mai multe inductoare mari și costisitoare. Un nou circuit integrat PMIC de la Maxim este un exemplu de soluție SIMO care, datorită curentului său static redus, îndeplinește cerințele acestor dispozitive cu constrângeri legate de spațiu.
Pentru mai multe informații
Pentru a cunoaște mai multe despre modul în care lucrează arhitectura SIMO, este disponibil kitul de evaluare MAX77650. Kitul poate fi utilizat pentru a evalua stabilizatorul SIMO ridicător/coborâtor și alte componente din PMIC.
Surse
1 http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?arnumber=6573566&tag=1
2 “Hearables Get Longer Life with SiMO: www.maximintegrated.com/en/design/technical-documents/design-solutions.html
Autori: Cary Delano, un important membru al colectivului tehnic și Reno Rossetti, PhD, EE, Maxim Integrated
Maxim Integrated | www.maximintegrated.com
