Регуляторы напряжения для IoT и мобильных устройств

Источники питания и системы управления питанием играют ключевую роль в увеличении времени работы и производительности мобильных устройств от аккумулятора. В качестве важной части этих систем, регулятор напряжения предназначен для поддержания выходного напряжения от источника питания на постоянном уровне. Существует ряд моментов, которые следует учитывать при выборе регулятора напряжения для мобильного устройства или устройства IoT. Хотя это часто влечет за собой компромисс между шумом, тепловым управлением и отклонениями от регулирования, нахождение правильного баланса между этими аспектами может помочь обеспечить желаемую работу вашего следующего мобильного устройства.

Желаемая функциональность регулятора напряжения

Любой регулятор напряжения должен обеспечивать некоторые конкретные функции. Во-первых, регулятор должен повышать или понижать напряжение между аккумулятором и различными подсхемами в устройстве. Функция повышения требуется высоковольтными устройствами, такими как OLED, в то время как функция понижения помогает снизить потребляемую мощность цифровых CMOS-схем. Это обеспечивает более длительное время работы от батареи и позволяет внедрять новые функции, такие как дополнительные камеры и тактильная обратная связь, без значительного влияния на размер аккумулятора.

Управление шумом и изоляция питания критически важны в мобильных устройствах для обеспечения целостности сигнала. Современные схемы RF-модуляции для скоростей передачи данных в Gbps предъявляют строгие требования к искажениям и помехам. Это требует тщательного внимания ко всем источникам шума, особенно к проводимым и излучаемым ЭМИ от источника питания.

С точки зрения изоляции питания, хороший регулятор напряжения также должен предотвращать распространение изменений выходного напряжения аккумулятора в виде переходных сигналов через выход (таких, как введенные импульсным RF-усилителем мощности), тем самым влияя на последующие цепи. Наконец, любой регулятор напряжения для любого мобильного устройства, будь то смартфон, носимое устройство, IoT или другое устройство, должен иметь малый размер и низкую стоимость, при этом увеличивая время работы от батареи.

Топологии регуляторов напряжения

Линейные регуляторы: Обычно они состоят из генератора опорного напряжения, усилителя ошибки, силового транзистора, резистивного делителя для мониторинга выходного напряжения и развязывающего конденсатора для обеспечения стабильности напряжения на шине питания. Регуляторы с низким падением напряжения (LDO), основанные на транзисторах pnp и pFET, демонстрируют различные характеристики покоящегося тока во время падения напряжения в зависимости от полярности транзистора. Транзисторы pFET практически не потребляют ток и не демонстрируют увеличения покоящегося тока во время падения напряжения, в то время как nFET показывают увеличение покоящегося тока по мере приближения входного напряжения к выходному.

Преимущества линейных преобразователей заключаются в их низком уровне шума и пульсаций, небольшом до среднего размере, а также низкой сложности и стоимости. Недостатки включают только понижающую операцию, а также низкую до среднюю эффективность, хотя это зависит от тока нагрузки, напряжения батареи и рассеивания тепла.

Линейный регулятор. Рисунок из основ проектирования и применения LDO. Доступно от Analog Devices

Регуляторы на переключаемых конденсаторах: Также известные как преобразователи на основе насоса заряда, используют конденсаторы и несколько переключателей для получения выходного напряжения, которое может быть как выше, так и ниже входного. Они накапливают и передают энергию от входа к выходу с помощью летающего конденсатора, подключенного к цифровым переключателям.

Преимущества преобразователей на основе насоса заряда включают в себя высокую эффективность и низкий уровень излучаемых электромагнитных помех по сравнению с другими регуляторами напряжения. Это достигается за счет использования конденсатора для накопления и передачи энергии, что позволяет использовать методы мягкого переключения для управления цифровыми переключателями. Эти преобразователи не используют обратную связь для регулирования, вместо этого полагаясь на рабочий цикл периода переключения для компенсации изменений выходного напряжения. Эти контроллеры обычно ограничены применением в устройствах с низким энергопотреблением.

Схемы регулятора на переключаемых конденсаторах и формы входных/выходных сигналов

Импульсные регуляторы: Эти регуляторы могут повышать (boost) или понижать (buck) входное напряжение; они также способны изменять его полярность. Типичный преобразователь buck-boost состоит из сети переключателей, которая генерирует переменный сигнал, низкочастотного фильтра, который пропускает постоянную составляющую этого сигнала на выход, и сети обратной связи для регулирования выходного напряжения путем изменения рабочего цикла или частоты переменного сигнала.

Характеристики выходного напряжения импульсного регулятора в значительной степени зависят от качества низкочастотного фильтра, который реализуется как LC-цепь. Пульсации выходного напряжения и эффективность регулятора в значительной степени зависят от размера индуктивности, где большие индуктивности уменьшают пульсации и эффективность схемы из-за их больших энергетических потерь через эквивалентное последовательное сопротивление. Эти схемы регуляторов тратят меньше тепла, но они в целом более сложные, большие и дорогие, чем их линейные аналоги.

Комбинирование линейных и импульсных регуляторов является общепринятой техникой для получения нескольких напряжений питания в мобильном устройстве. Дизайнеру источников питания необходимо учитывать характеристики источника питания (батареи) и нагрузки, чтобы выбрать оптимальное решение схемы для конкретного подсхемы. Например, поскольку процессоры мобильных устройств изготавливаются с использованием все более тонкой архитектуры транзисторов (10 нм или меньше), что снижает их требования к напряжению и току питания, покоящийся ток схемы регулятора становится большей частью тока нагрузки и оказывает большее влияние на эффективность схемы.

Регуляторы напряжения для мобильных продуктов

Maxim Integrated, MAX8863

Линейный регулятор напряжения MAX8863 обеспечивает высоконадежное напряжение питания (от 2,5 В до 6,5 В) с максимальным выходным током до 120 мА в миниатюрном 5-контактном корпусе SOT23. Устройство использует PMOS-транзистор в качестве проходного элемента, что позволяет поддерживать ток питания 80 мкА независимо от нагрузки. Эти устройства идеально подходят для батарейного портативного оборудования, такого как мобильные телефоны или другие устройства IoT, работающие с различными стандартами сигнализации. Внешняя сеть делителей резисторов также может быть использована для регулировки выходного напряжения:

Устройства поддерживают работу в двух режимах: их выходное напряжение предустановлено... или может быть отрегулировано с помощью внешнего делителя резисторов. Другие функции включают режим низкого энергопотребления, защиту от короткого замыкания, защиту от перегрева и защиту от обратной полярности батареи. [Из технического описания MAX8863]

MAX8864, вариант MAX8863, также включает функцию автоматического разряда. Эта функция активно разряжает выходное напряжение на землю, когда устройство переведено в режим отключения.

Функциональная блок-схема, от Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

Всем нравится делать селфи, и многим нужно проводить телеконференции через свои ноутбуки. Эти действия, а также устройства, активно использующие светодиоды, требуют регулятора напряжения, который может обеспечить стабильное питание для этих конкретных компонентов. Регулятор на переключаемых конденсаторах MAX1576 предназначен для регулирования подсветки и вспышки камеры с использованием до 8 белых светодиодов в мобильных устройствах (24-контактный тонкий корпус QFN, 4 мм x 4 мм). Четыре светодиода могут быть подключены с током до 30 мА для подсветки, в то время как оставшиеся четыре светодиода в группе вспышки могут мигать с током до 100 мА на светодиод:

MAX1576 использует два внешних резистора для установки основного и максимального (100%) токов светодиодов вспышки. Четыре управляющих вывода используются для регулировки яркости светодиодов с помощью серийного управления или 2-битной логики для каждой группы. ENM1 и ENM2 устанавливают основные светодиоды на 10%, 30% или 100% от максимального значения. ENF1 и ENF2 устанавливают светодиоды вспышки на 20%, 40% или 100% от максимального значения. Кроме того, соедините любую пару управляющих выводов вместе для однопроводного, серийного управления регулировкой яркости.

Схема выводов и примерная схема с регулятором на переключаемых конденсаторах MAX1576 (из технического описания MAX1576)

Analog Devices, LT1738

Ключевой регулятор LT1738 от Analog Devices - это контроллер DC/DC с управляемой скоростью нарастания сигнала и ультранизким уровнем шума. Известно, что ключевые регуляторы довольно шумные из-за сигнала ШИМ, но LT1738 использует управляемые скорости нарастания напряжения и тока во внешнем N-канальном MOSFET-переключателе. Это устройство излучает гораздо менее интенсивный радиационный шум по сравнению с другими ключевыми регуляторами с аналогичной мощностью и размерами, что делает его отличным выбором для использования в новых мобильных устройствах и устройствах IoT.

Скорости нарастания тока и напряжения могут быть установлены независимо для оптимизации гармонического содержания переключающих форм сигналов по сравнению с эффективностью. LT1738 может снизить мощность высокочастотных гармоник на 40 дБ с незначительными потерями в эффективности. LT1738 использует архитектуру на основе тока, оптимизированную для топологий с одним переключателем... Внутренний генератор может быть синхронизирован с внешними часами для более точного размещения гармоник переключения.

Блок-схема ключевого регулятора LT1738 (из технического описания LT1738).

Вашему следующему мобильному устройству или устройству IoT необходимо экономить и правильно управлять энергопотреблением, чтобы продлить его срок службы. Вы можете добиться этого с помощью правильного регулятора напряжения и других компонентов, специально предназначенных для мобильных приложений и приложений IoT. Попробуйте использовать наше руководство по выбору компонентов, чтобы определить лучший вариант для вашего следующего продукта.

Не пропустите статьи, подобные этой! Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку!