优化用于物联网的可穿戴设备的功耗

用于物联网（IoT）的可穿戴设备和其他设备的电力传输环境非常复杂。由于需要尽可能节省能量，因此功耗变化很大。通常情况下，物联网设备大部分时间都处于睡眠状态，因为这样可以提供最低的功耗 - 只有在需要进行测量或传输数据时才会唤醒。即使唤醒模式之间的差异也很大。

例如，只有少数子系统可能需要唤醒才能从定期读取传感器的A/D转换器读取样本。但是，当通过无线链路（如Bluetooth Smart）发送数据时，从处理器到无线前端的大部分设备都需要处于活动状态并处于相对较高的功耗状态。

虽然蓝牙Smart具有降低整体能耗的功能，低功耗模式仍需要15 mA电流，高数据速率模式需要30 mW。支持这些不同模式的需要意味着PMIC需要能够从超低能量静态状态快速切换到提供高电流几毫秒的状态，然后同样快速地再次关闭系统。这对电力传输提出了严格的要求。

当处理器从其最低功耗睡眠状态之一转移到活动模式时，电流差异需要快速启动时间和电源传输子系统的瞬态响应。

物联网网关和集线器中使用的处理器在功耗方面也存在很大差异。尽管他们在睡眠模式下花费的时间更少，但为这些应用设计的处理器通常使用动态时钟和电压转换策略，以便在此时将功耗调整到工作负载。因此，电流可能会有很大的变化，模式之间的转换会很快发生。

图1：典型通信的方框图 - 基于TI功率和MCU组件的中心物联网或可穿戴设备。

快速瞬态响应的要求可以扩展传统的基于脉冲宽度调制的DC/DC转换器闭环控制策略的功能（PWM ）。通常，PWM电路从参考电压中减去转换器输出电压的缩放版本以建立小的误差信号。将该误差信号与由振荡器驱动的常规斜坡信号进行比较，该振荡器通常以固定频率运行。比较器输出一个操作电源开关的数字输出。

当电路输出电压发生变化时，误差信号也会发生变化，从而导致比较器阈值发生变化。因此，输出脉冲宽度也会改变。此占空比变化然后移动输出电压以将误差信号减小到零，从而完成控制环路。

基本PWM策略有许多优点，但为了确保稳定性，闭环控制带宽为通常保持在相对较低的频率 - 通常比PWM开关频率低十倍。因此，瞬态响应可能会受到影响。

滞后控制提供了一种响应速度更快的替代方案。最简单的形式是不使用PWM，控制器是两个输入端之间具有小滞后的比较器。一个输入是转换器的输出电压，另一个是电压参考。当输出电压因负载需求上升而下降时，比较器将产生一个高输出信号，激活主输出晶体管的栅极驱动器，为负载供电。这将提高输出电压，直到它超过参考值所允许的滞后量。降压比较器输出然后关闭栅极驱动器。

通过任何环路比较或误差放大器来减慢信号，输出电压变化之间的延迟仅是通过比较器的传播速度和门司机。因此，迟滞控制策略提供非常快速的瞬态响应。另一个优点是滞后控制自然支持负载电流的广泛变化，从亚毫安范围到超过1的峰值。

图2：迟滞功率控制器的电路图

这种灵活性是以开关频率的巨大变化为代价的，这可能导致电磁兼容性（EMC）问题并导致谐振电源网络周围的无源电路。输出电压的精度也可能降低，这对于当今的电压敏感微控制器和传感器来说可能是个问题。

混合转换器混合使用这两种策略，滞后比较器用于控制输出典型的深度和低度睡眠模式下的低负载导轨，一旦负载电流超过设定的阈值，就会进入传统的PWM模式，以提供高效率和可预测的频率响应。该策略的一个示例是由德州仪器（Texas Instruments）制造的LM2650M同步降压DC/DC转换器，其工作在3A至毫安负载范围。该器件还具有逻辑控制关断模式，其输入电源最多可吸收25μA电流。

LM2650采用固定频率PWM和同步整流，可在较高负载下实现高效率。在许多应用中，对于大约1 A的负载，效率超过95％，对于从0.2 A到2 A的中等到重负载，效率超过90％。在较低负载下，器件进入迟滞“睡眠”模式。当负载超过单独编程的电流阈值时，LM2650会自动进入和退出休眠模式，以便使用外部电阻为模式开关本身提供一定程度的迟滞。

在迟滞模式下，LM2650使用一个内置磁滞为30 mV的比较器，中心电压为1.25 V.由于迟滞模式仅在低负载下工作，因此开关频率在几赫兹到几千赫兹的数量级。可选的软启动功能可在启动时限制输入电源的电流浪涌，并提供对多个电源进行排序的简单方法。

在噪声和迟滞模式操作的功耗节省之间存在权衡。为固定频率的EMC目的过滤更容易。因此，逻辑输入允许用户覆盖自动休眠功能，并将LM2650保持在PWM模式，而不管负载水平如何。

专为低噪声物联网设备（如健身可穿戴设备）而设计，TI TPS65720可以也可以使用内置I 2 C接口提供的命令在低功耗迟滞模式下工作或强制进入固定频率PWM模式。然而，如果系统不对噪声敏感的模拟输入进行采样或操作无线电接口，那么低噪声性能在低功耗模式下可能不是一个问题 - 来自本地高频干扰的能量尖峰可能很重要。无论何时需要对噪声敏感的操作，通过使用系统软件强制器件进入低噪声PWM模式，设计人员可以优化物联网设备的整体能效。

PWM模式运行于2.25 MHz允许使用比核心开关频率更低的DC/DC转换器更小的电感器和电容器。结果是，如果典型的0402封装用于电阻器和电容器，则外部元件的总占位面积可以减小到小于11 mm 2 的面积。高频还提供更好的瞬态响应。开关频率允许使用高Q带通滤波器来抑制寄生频率。

该IC还提供200 mA低压降稳压器（LDO）输出，其输入电压范围为1.8和5.6 V，允许它从降压转换器的输出或直接从系统电压供电。对于器件仅运行最基本功率要求的情况，IC支持小于1μA的关断电流，例如为倒计时到下一个传感器输入采样周期的实时时钟供电。

随着物联网的发展，我们可以期待更加关注DC/DC转换器中低功耗模式的瞬态性能和效率，但德州仪器的LM2650和TPS65720等器件为这类设计提供了有效的支持。