Bộ Điều Chỉnh Điện Áp cho Thiết Bị IoT và Di Động

Nguồn cung cấp điện và hệ thống quản lý điện năng đóng vai trò quan trọng trong việc kéo dài tuổi thọ pin và hiệu suất của thiết bị di động. Là một phần quan trọng của các hệ thống này, một bộ điều chỉnh điện áp được thiết kế để duy trì điện áp đầu ra từ nguồn cung cấp ở một giá trị không đổi. Có một số điểm cần xem xét khi chọn bộ điều chỉnh điện áp cho một thiết bị di động hoặc IoT. Mặc dù điều này thường liên quan đến sự đánh đổi giữa tiếng ồn, quản lý nhiệt và sự lệch lạc từ quy định, việc tìm ra sự cân bằng đúng đắn giữa những điểm này có thể giúp đảm bảo rằng thiết bị di động tiếp theo của bạn hoạt động như mong muốn.

Chức Năng Mong Muốn của Bộ Điều Chỉnh Điện Áp

Mọi bộ điều chỉnh điện áp cần phải cung cấp một số chức năng cụ thể. Đầu tiên, bộ điều chỉnh cần phải tăng hoặc giảm điện áp giữa pin và các mạch phụ khác nhau trong thiết bị. Chức năng tăng cường là cần thiết đối với các thiết bị điện áp cao như OLED, trong khi chức năng giảm giúp giảm điện năng tiêu thụ bởi mạch CMOS số. Điều này cung cấp tuổi thọ pin dài hơn và cho phép các tính năng mới như camera bổ sung và phản hồi xúc giác mà không ảnh hưởng đáng kể đến kích thước pin.

Quản lý tiếng ồn và cô lập nguồn điện là rất quan trọng trong thiết bị di động để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu. Các kế hoạch điều chế RF tiên tiến cho tốc độ dữ liệu Gbps đặt ra các yêu cầu khắt khe về méo và nhiễu. Điều này yêu cầu phải chú ý cẩn thận đến tất cả các nguồn tiếng ồn, đặc biệt là EMI dẫn và bức xạ từ nguồn cung cấp điện.

Về cô lập nguồn điện, một bộ điều chỉnh điện áp tốt cũng nên ngăn chặn sự thay đổi trong điện áp đầu ra của pin từ việc lan truyền các tín hiệu biến động qua đầu ra (như những tín hiệu được giới thiệu bởi một bộ khuếch đại công suất RF xung), do đó ảnh hưởng đến các mạch hạ lưu. Cuối cùng, bất kỳ bộ điều chỉnh điện áp nào cho bất kỳ thiết bị di động nào, dù là điện thoại thông minh, thiết bị đeo được, IoT, hoặc thiết bị khác, đều phải có kích thước nhỏ và chi phí thấp trong khi vẫn kéo dài tuổi thọ pin.

Cấu Trúc Bộ Điều Chỉnh Điện Áp

Bộ điều chỉnh tuyến tính: Chúng thường được tạo thành từ một bộ tạo điện áp tham chiếu, bộ khuếch đại lỗi, transistor công suất, bộ chia điện trở để giám sát điện áp đầu ra, và tụ điện lọc để đảm bảo điện áp trên bus điện ổn định. Các bộ điều chỉnh LDO dựa trên transistor pnp và pFET thể hiện các đặc tính dòng điện không tải khác nhau trong quá trình giảm áp, tùy thuộc vào cực của transistor. Transistor pFET hầu như không rút dòng điện và không thể hiện sự tăng dòng không tải trong quá trình giảm áp, trong khi nFET thể hiện sự tăng dòng không tải khi điện áp đầu vào tăng và gần với điện áp đầu ra.

Lợi ích của bộ chuyển đổi tuyến tính là tiếng ồn và dao động thấp, kích thước nhỏ đến trung bình, và độ phức tạp và chi phí thấp. Nhược điểm bao gồm chỉ hoạt động giảm điện áp, và chúng có hiệu suất từ thấp đến trung bình, mặc dù điều này phụ thuộc vào dòng tải, điện áp pin, và tản nhiệt.

Một bộ điều chỉnh tuyến tính. Hình ảnh trong Cơ bản về Thiết kế và Ứng dụng của LDO. Có sẵn từ Analog Devices

Điều chỉnh điện áp bằng tụ điện chuyển mạch: Còn được gọi là bộ chuyển đổi bơm điện, sử dụng tụ điện và một số công tắc để cung cấp điện áp đầu ra cao hơn hoặc thấp hơn điện áp đầu vào. Chúng lưu trữ và chuyển năng lượng từ đầu vào sang đầu ra trong một tụ điện bay kết nối với công tắc số.

Lợi ích của bộ chuyển đổi bơm điện bao gồm hiệu suất cao và bức xạ EMI thấp so với các bộ điều chỉnh điện áp khác. Điều này là do sử dụng tụ điện để lưu trữ và chuyển năng lượng, cho phép sử dụng các kỹ thuật chuyển mạch mềm để kiểm soát các công tắc số. Các bộ chuyển đổi này không sử dụng phản hồi để đạt được sự điều chỉnh, thay vào đó dựa vào chu kỳ nhiệm vụ của thời gian chuyển mạch để bù đắp cho sự thay đổi trong điện áp đầu ra. Các bộ điều khiển này thường được giới hạn trong các ứng dụng công suất thấp.

Sơ đồ mạch điều chỉnh điện áp bằng tụ điện chuyển mạch và dạng sóng đầu vào/đầu ra

Điều chỉnh điện áp chuyển mạch: Các bộ điều chỉnh này có thể tăng (boost) hoặc giảm (buck) điện áp đầu vào; chúng còn có khả năng đảo ngược cực của nó. Bộ chuyển đổi buck-boost điển hình bao gồm một mạng lưới công tắc tạo ra tín hiệu AC, một bộ lọc thông thấp cho phép thành phần DC của tín hiệu này đến đầu ra, và một mạng lưới phản hồi để điều chỉnh điện áp đầu ra bằng cách thay đổi chu kỳ nhiệm vụ hoặc tần số của tín hiệu AC.

Đặc tính điện áp đầu ra của bộ điều chỉnh chuyển mạch phụ thuộc nhiều vào chất lượng của bộ lọc thông thấp, được thực hiện dưới dạng mạch LC. Điện áp nhiễu và hiệu suất của bộ điều chỉnh phụ thuộc nhiều vào kích thước của cuộn cảm, nơi mà cuộn cảm lớn hơn giảm nhiễu và hiệu suất mạch do mất năng lượng lớn hơn qua điện trở mắc nối tiếp tương đương của chúng. Các mạch điều chỉnh này ít tốn nhiệt hơn, nhưng chúng thường phức tạp hơn, lớn hơn và đắt hơn so với các loại tuyến tính.

Kết hợp bộ điều chỉnh tuyến tính và chế độ chuyển mạch là một kỹ thuật phổ biến để tạo ra nhiều điện áp cung cấp trong một thiết bị di động. Nhà thiết kế nguồn cung cấp cần xem xét đặc tính của nguồn điện (pin) và tải để chọn giải pháp mạch tối ưu cho một mạch phụ cụ thể. Ví dụ, khi bộ vi xử lý thiết bị di động được chế tạo bằng cấu trúc bóng bán dẫn ngày càng mịn (10 nm hoặc ít hơn), làm giảm yêu cầu về điện áp và dòng điện cung cấp của chúng, dòng điện không tải của mạch điều chỉnh trở thành một phần trăm lớn hơn của dòng tải và có ảnh hưởng lớn hơn đến hiệu suất mạch.

Điều Chỉnh Điện Áp cho Sản Phẩm Di Động

Maxim Integrated, MAX8863

Bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính MAX8863 cung cấp điện áp cung cấp đáng tin cậy cao hơn (2.5 V đến 6.5 V) với dòng ra lên đến 120 mA trong gói 5 chân SOT23 nhỏ gọn. Thiết bị sử dụng transistor chuyển mạch PMOS, cho phép dòng điện cung cấp 80 µA giữ nguyên không phụ thuộc vào tải. Những thiết bị này lý tưởng cho thiết bị di động sử dụng pin như điện thoại di động hoặc các thiết bị IoT khác hoạt động với nhiều tiêu chuẩn tín hiệu khác nhau. Một mạng chia điện trở bên ngoài cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp ra:

Các thiết bị có tính năng hoạt động Dual Mode^™: điện áp ra của chúng được cài đặt trước...hoặc có thể được điều chỉnh bằng mạng chia điện trở bên ngoài. Các tính năng khác bao gồm tắt nguồn tiêu thụ thấp, bảo vệ chống ngắn mạch, bảo vệ chống quá nhiệt, và bảo vệ chống ngược pin. [Từ datasheet của MAX8863]

MAX8864, một biến thể của MAX8863, cũng bao gồm chức năng xả tự động. Tính năng này hoạt động xả điện áp ra xuống mặt đất khi thiết bị được đặt vào chế độ tắt.

Sơ đồ khối chức năng, từ Maxim Integrated

Maxim Integrated, MAX1576

Mọi người đều thích chụp selfie, và rất nhiều người cần hội nghị truyền hình qua laptop của họ. Những hoạt động này, và các thiết bị sử dụng nhiều LED, đòi hỏi một bộ điều chỉnh điện áp có thể cung cấp đầu ra ổn định cho những linh kiện cụ thể này. Bộ điều chỉnh tụ điện chuyển mạch MAX1576 được thiết kế để điều chỉnh đèn nền và đèn flash máy ảnh với tối đa 8 LED trắng trong thiết bị di động (gói QFN mỏng 24 chân, 4 mm x 4 mm). Bốn LED có thể được điều khiển với dòng lên đến 30 mA cho đèn nền, trong khi bốn LED còn lại trong nhóm flash có thể được xung lên đến 100 mA cho mỗi LED:

MAX1576 sử dụng hai điện trở bên ngoài để thiết lập dòng LED chính và flash tối đa (100%). Bốn chân điều khiển được sử dụng cho việc điều chỉnh độ sáng LED bằng điều khiển tuần tự hoặc logic 2-bit cho mỗi nhóm. ENM1 và ENM2 thiết lập các LED chính thành 10%, 30%, hoặc 100% của tổng dải. ENF1 và ENF2 thiết lập các LED flash thành 20%, 40%, hoặc 100% của tổng dải. Ngoài ra, kết nối cặp chân điều khiển nào đó với nhau cho điều khiển giảm sáng tuần tự bằng một dây.

Sơ đồ chân và mạch ví dụ với bộ điều chỉnh tụ điện chuyển mạch MAX1576 (từ datasheet của MAX1576)

Analog Devices, LT1738

Bộ điều chỉnh chuyển mạch LT1738 từ Analog Devices là một bộ điều khiển DC/DC với tốc độ biến thiên điều khiển và độ ồn cực thấp. Các bộ điều chỉnh chuyển mạch thường được biết đến là khá ồn do tín hiệu chuyển mạch PWM, nhưng LT1738 sử dụng tốc độ biến thiên điện áp và dòng điện được kiểm soát trong một công tắc MOSFET N-channel bên ngoài. Thiết bị này phát ra tiếng ồn bức xạ ít mạnh mẽ hơn nhiều so với các bộ điều chỉnh chuyển mạch khác có công suất và kích thước tương tự, làm cho nó trở thành lựa chọn xuất sắc để sử dụng trong các thiết bị di động và IoT mới.

Tốc độ biến thiên dòng điện và điện áp có thể được thiết lập độc lập để tối ưu hóa nội dung hài hòa của các hình dạng sóng chuyển mạch so với hiệu quả. LT1738 có thể giảm công suất hài hòa tần số cao tới 40 dB chỉ với một số tổn thất nhỏ về hiệu quả. LT1738 sử dụng một kiến trúc chế độ dòng tối ưu cho các cấu trúc công tắc đơn...Bộ dao động nội bộ có thể được đồng bộ hóa với một đồng hồ bên ngoài để đặt chính xác hơn các hài hòa chuyển mạch.

Sơ đồ khối của bộ điều chỉnh chuyển mạch LT1738 (từ datasheet của LT1738).

Thiết bị di động hoặc IoT tiếp theo của bạn cần tiết kiệm và quản lý điện năng một cách đúng đắn để kéo dài thời gian sử dụng. Bạn có thể làm điều này với bộ điều chỉnh điện áp phù hợp và các linh kiện khác được thiết kế riêng cho các ứng dụng di động và IoT. Hãy thử sử dụng hướng dẫn Chọn Phần của chúng tôi để xác định lựa chọn tốt nhất cho sản phẩm tiếp theo của bạn.

Đừng bỏ lỡ các bài viết như bài này! Hãy cập nhật với các bài viết mới nhất của chúng tôi bằng cách đăng ký nhận bản tin của chúng tôi!