Система питания со сверхмалым энергопотреблением для носимых устройств

Крис Глейзер (Chris Glaser)

Если «мозгом» типичного носимого устройства можно было бы назвать встроенный микроконтроллер (MCU), то его «сердцем» определённо является система управления питанием. Аккумуляторы чрезвычайно малой ёмкости, набор разнообразных функций, требующих питания, и невероятно малый размер изделия диктуют необходимость появления новых, передовых решений для управления питанием, чтобы обеспечить надлежащую работу системы. Но когда микроконтроллер и преобразователь постоянного тока, оптимизированные для работы со сверхнизким энергопотреблением, объединяются вместе, результатом становится прекрасно работающая, безотказная система, подходящая для применения в носимых устройствах.

Носимые системы

Носимое устройство соединяет в себе несколько областей технического проектирования, начиная от микроконтроллера и его встроенных функций и заканчивая периферийными устройствами. Датчики температуры, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), драйверы индикаторов, беспроводная технология Bluetooth® с низким энергопотреблением (BLE) и даже функции шифрования — всё это часто встраивается в микроконтроллер. Другие датчики, например акселерометры или датчики давления, обычно реализуются в виде отдельных устройств ввиду их назначения, зависящего от конкретной системы. Микроконтроллер и датчики определяют функции и возможности носимого устройства, которые придают ему привлекательность и позволяют занять свою нишу на рынке.

У носимого устройства, имеющего очень маленький размер, «сердцем» является система управления питанием. Носимое устройство может утратить свою привлекательность, если его будет необходимо заряжать несколько раз в день или если его аккумулятор будет слишком тяжёлым. Чтобы получить устройство, способное проработать несколько дней, но при этом лёгкое и компактное, требуется система управления питанием, оптимизированная для работы со сверхнизким энергопотреблением, которая позволяет эффективно преобразовывать ограниченную энергию аккумулятора в полезную мощность, потребляемую нагрузками. На рисунке 1 показана типовая блок-схема оптического пульсометра с микроконтроллером, датчиками, технологией беспроводной связи BLE, системой управления питанием и аккумулятором.

 Блок-схема оптического пульсометра с микроконтроллером и источником питания

Рисунок 1. Блок-схема оптического пульсометра с микроконтроллером и источником питания. Микроконтроллер объединяет в себе большинство функций, которые требуются типичному носимому устройству. Источник питания объединяет в себе все элементы, необходимые для получения законченного решения преобразователя постоянного тока. В устройство входит коммутатор нагрузки — для упрощения интеграции системы и уменьшения размеров решения

Микроконтроллер со сверхнизким энергопотреблением

Микроконтроллер должен обеспечивать выполнение набора разнообразных функций, но при этом не должен потреблять слишком много энергии. Для эффективного использования каждого кулона заряда аккумулятора необходимы усовершенствованные режимы с низким энергопотреблением. Особенно важно сверхнизкое энергопотребление в спящем режиме или в режиме ожидания, поскольку носимые устройства работают в этом режиме без взаимодействия с пользователем в течение большей части времени своей работы. Потребление сотен микроампер или даже одного миллиампера в спящем режиме — это слишком большое энергопотребление для аккумулятора. С другой стороны, энергопотребление микроконтроллера в активном режиме как раз должно быть в этом диапазоне. Для такого низкого энергопотребления нужен микроконтроллер особого типа — такой, который оптимизирован для систем со сверхнизким энергопотреблением.

На рисунке 2 показан пример микроконтроллера, который объединяет в себе датчик температуры, дифференциальный АЦП и возможности шифрования, но при этом потребляет всего 450 нА в режиме ожидания и 100 мкА/МГц в активном режиме [1]. Встроенное ферроэлектрическое ОЗУ (ёмкостью до 64 кбайт) позволяет добиться такого сверхнизкого энергопотребления в режиме ожидания, а размер корпуса, уменьшенный до 2×2 мм, позволяет легко встраивать такой микроконтроллер в любое носимое устройство.

 Блок-схема микроконтроллера (MSP430FR59xx)

Рисунок 2. Блок-схема микроконтроллера (MSP430FR59xx), на которой выделены дифференциальный АЦП и функция шифрования, необходимые для носимой системы. Датчик температуры встроен в АЦП

Преобразователь постоянного тока со сверхнизким энергопотреблением

Преобразователь постоянного тока отвечает за преобразование ценной энергии аккумулятора при его изменяющемся напряжении в соответствующие напряжения, которые требуются различным устройствам системы. Некоторые подсистемы, такие как устройство беспроводной связи, требуют низкого уровня шумов. Другие подсистемы, например датчики, могут иметь высокие токи утечки в отключённом состоянии, и их требуется отсоединять от шины питания, а не просто выключать. Для всех подсистем носимого устройства низкое энергопотребление является общим обязательным требованием. Поэтому для эффективного питания системы преобразователь постоянного тока должен быть оптимизирован для работы со сверхнизким энергопотреблением. Он должен оставаться эффективным даже при очень низкой выходной мощности.

На рисунке 3 показан пример преобразователя постоянного тока со сверхнизким энергопотреблением и его реализация в системе. Для микроконтроллера, устройства беспроводной связи BLE и датчиков используется общее напряжение, чтобы решение оставалось компактным. Микроконтроллер подключается напрямую к выходу преобразователя постоянного тока, и, таким образом, питание подаётся на него всегда. Датчики подключаются к выходу встроенного переключателя нагрузки. Переключатель нагрузки замыкается, только когда на датчики необходимо подать питание, то есть тогда, когда пользователь запрашивает данные от них. В течение большей части времени работы носимого устройства датчики не нужны, и они выключены.

 Преобразователь постоянного тока (TPS82740A)

Рисунок 3. Преобразователь постоянного тока (TPS82740A), встроенный в типовую носимую систему. Большинство подсистем подключаются к своей шине напряжения питания через встроенный переключатель нагрузки, что уменьшает ток утечки. Микросхема TPS82740A не требует никаких пассивных компонентов для реализации системы

Размыкание переключателя нагрузки исключает возможность протекания токов утечки с выхода преобразователя постоянного тока, снижая ток, потребляемый от аккумулятора. Топология DCS-Control (прямое управление с плавным переходом в режим энергосбережения) этого преобразователя позволяет получить на выходе очень низкий уровень шума, что хорошо подходит для систем, чувствительных к шумам [2] [3]. Размер преобразователя постоянного тока (2,9×2,3×1,1 мм) и его полностью интегрированные функциональные возможности при отсутствии навесных компонентов обеспечивают исключительно малый размер, требующийся для носимых устройств.

На рисунке 4 показан график КПД того же преобразователя постоянного тока при преобразовании входного напряжения 3,6 в 2,1 В, которое требуется для микроконтроллера [4]. Благодаря режиму энергосбережения, оптимизированному для работы со сверхнизким энергопотреблением, и собственному потребляемому току (IQ) 360 нА, достигается КПД более 80% при токе нагрузки всего 10 мкА [5].

 КПД преобразователя постоянного тока (TPS82740A) при преобразовании напряжения литий-ионного аккумулятора

Рисунок 4. КПД преобразователя постоянного тока (TPS82740A) при преобразовании напряжения литий-ионного аккумулятора (3,6 В) в напряжение 2,1 В для микроконтроллера

Заключение

Преобразователь постоянного тока, оптимизированный для работы со сверхнизким энергопотреблением, в сочетании с микроконтроллером со сверхнизким энергопотреблением даёт эффективное и компактное решение для носимого устройства. Высокая степень интеграции функциональных возможностей и компонентов в этих двух устройствах даёт очень малый размер конструктивного решения. Сверхнизкий собственный потребляемый ток преобразователя постоянного тока, составляющий 360 нА, в сочетании с током режима ожидания микроконтроллера, равным 450 нА, позволяет добиться очень большой продолжительности работы при питании от очень маленьких аккумуляторов.

Литература

  1. MSP430 с ферроэлектрическим ОЗУ.
  2. Архитектура DCS-Control.
  3. Высокоэффективная архитектура DCS-Control™ с низким уровнем пульсаций обеспечивает плавный переход из режима ШИМ в режим энергосбережения. Крис Глейзер. Журнал по применению аналоговых компонентов (SLYT531), Texas instruments, 3 кв. 2013 г.
  4. Техническое описание TPS82740A.
  5. IQ: что это? Чем не является IQ? И как можно использовать IQ? Крис Глейзер. Журнал по применению аналоговых компонентов (SLYT412), Texas instruments, 2 кв. 2013 г.