低靜態電流電源管理IC推助　穿戴裝置電池續航力再攻頂

近年來，隨著物聯網(IoT)與大數據(Big Data)分析技術的快速發展，使得原先僅擁有計步器等簡單功能的穿戴式裝置正快速演進至能夠感知與擷取資料的智慧化穿戴式裝置。從具感測心率、體溫與血壓的監測器到夜視裝置，甚至平視成像顯示器等，智慧穿戴式裝置已儼然成為消費性、醫療保健、軍事和工業市場的一部分。

為了符合「穿戴式」(Wearable)的概念，產品本身必須採用小型電池作為其電源，才能使智慧穿戴式裝置微型化。然而隨著小型電池的使用，多久必須為產品進行電池更換或充電亦將成為消費者選購時關心的焦點之一；因此，在穿戴式產品的設計上，如何進一步改善其能效和設計轉換效率高的電源模組，來延長電池的續航力，已成為智慧穿戴式裝置設計上相當重要的課題。有鑑於此，本文將以具有低靜態電流及高轉換效率的電源管理IC為例，探討智慧穿戴式裝置電源設計實務。

低靜態電流DC-DC轉換器

圖1所示為基本的智慧穿戴式裝置的核心架構方塊圖，主要由一個微處理器(MPU)或微控制器(MCU)、某些微機電系統感測器(MEMS Sensor)、通訊介面(Communication Interface)與電源模組所組成。由圖中可發現智慧穿戴式裝置的輸入電源主要是由可充電式或非可充電式的電池或電池組所提供，例如緊密型鋰離子電池，而其系統本身的電源模組主要是直流/直流轉換器(DC-DC Converter)，用來供電給微處理器或微控制器、通訊介面與微機電系統感測器等。

由於智慧穿戴式裝置的輸入電源是由電池來提供，因此為了增加電池的續航力，對於所使用的直流/直流轉換器建議採用同步整流架構；而同步整流架構與基本的非同步整流架構最主要的不同點在於將原本轉換器電路中的功率開關元件二極體改由一同步主動功率開關取代之，並改由兩個互補的觸發訊號，以某個切換頻率(Switching Frequency)、某個導通率(Duty Ratio)來控制兩個主動功率開關的導通與截止。由於同步整流架構中使用一同步主動功率開關元件來取代原先的功率開關元件二極體，因此可以更進一步減少功率開關元件的導通損失(Conduction Loss)，提升電路的轉換效率，增加電池的使用時間。

圖2所示為一適用於智慧穿戴式裝置的降壓式DC-DC轉換器電路，由同步降壓式DC-DC轉換器搭配少數的周邊元件(一個電感與三個電容)所組成，其中同步降壓式DC-DC轉換器為低靜態電流、高轉換效率，且採用適應性導通時間控制(Adaptive On-Time Control, AOT)方式，其高達1.6MHz的切換頻率，可適當地減少外部周邊元件的體積。同步降壓式DC-DC轉換器本身具有0.7μA的極低靜態電流及100%導通率的特性，且當輸出負載由重載進入輕載時，IC本身將會自動從CCM工作模式轉換進入DCM工作模式(類似PFM工作模式)，來降低切換頻率，減少功率開關元件的切換損失(Switching Loss)，以提升輕載時電路本身的轉換效率，因此同步降壓式DC-DC轉換器非常適用於大部分時間會工作在低功耗待機模式下的智慧穿戴式裝置。由於同步降壓式DC-DC轉換器本身即為一具有同步整流架構，且兩個同步整流的主動功率開關皆已經內建於IC內部，如圖3中的Q1、Q2所示，並採用DFN-12小型封裝，因此可大量節省應用電路的面積。

周邊元件參數設計

底下將以使用單顆的鋰離子電池的情況為例，說明如何設計同步降壓式DC-DC轉換器的周邊元件參數。

I. 降壓電感(L1)

降壓電感的感值大小與轉換器的操作頻率高低將會影響到電感電流的漣波大小。

................(1)

其中fOSC與DMIN分別為降壓式DC-DC轉換器的操作頻率和功率開關的最小導通率。由於輸入電壓VIN的範圍介於3V至4.2V間，而輸出電壓VOUT為1.8V，因此降壓式DC-DC轉換器的最小導通率可由下式求得

 ...........(2)

在此設計中，設定fOSC=1.6MHz、ΔIL=300mA，則降壓電感的大小可由下式決定之

....(3)

選擇降壓電感L1為2.2μH。

此外，為避免電感鐵芯的飽和，所選用的電感的飽和電流必須大於轉換電路的最大電感電流峰值。假設最大輸出電流IOUT(MAX)為300mA，則電感電流的峰值可由下式決定之

..............................(4)

II. 輸出電容(COUT)

假設在CCM工作模式下最大漣波電壓ΔVOUT為10mV，則最小輸出電容可由(5)決定之

 ......(5)

此外，輸出電壓的漣波大小亦受到輸出電容本身ESR大小的影響。

在此設計中，輸出電容COUT選用10μF/6.3V的陶瓷電容。

至此，整個降壓式DC-DC轉換器的周邊元件值已大致完全計算出來，提供給電路設計者參考。基本上為求整體體積能達到較小化，電感與電容的選用以符合電壓電流的規格即可，元件的體積則可以盡可能的小。

本文以使用單顆的鋰離子電池為例，實際製作一圖2之降壓式DC-DC轉換器，並進行電路量測。

測試結果

圖4是當電池電壓為4.2V且輸出電流為300mA時降壓式DC-DC轉換器的切換波形與輸出電壓漣波波形，而圖5則為當電池電壓降至3.0V時的切換波形與輸出電壓漣波波形；如圖4與圖5所示，其輸出電壓漣波均低於10mV。如圖6所示，由於降壓式DC-DC轉換器本身具有相當低的靜態電流，因此在輸出電流為0.01mA的極輕載情況下，降壓式DC-DC轉換器的電路轉換效率仍高於70%以上。

本文所選用的同步降壓式DC-DC轉換器，具有極低靜態電流、高轉換效率與快速暫態響應等優點，非常適用於輸入電源為緊密型鋰離子電池且大部分時間會工作在低功耗待機模式下的智慧穿戴式裝置，而文中也進一步說明了如何選用合適的周邊元件來使得轉換電路的電氣性能可以滿足設計者的需求。而其實要設計一個智慧穿戴式裝置的電源模組並不困難，只要能夠了解輸入電源規格以及系統所需要的電壓、電流等電氣規格，再選用合適的電源IC與電路周邊元件，應該都可以完成一個符合設計者所需的智慧穿戴式裝置的電源模組。

(本文作者為沛亨半導體產品應用經理)