Architetture innovative per la gestione della potenza

C’è bisogno di una maggiore durata della batteria per gli auricolari intelligenti e i dispositivi indossabili? Un’idea potrebbe essere quella di affidarsi a tecnologie innovative. L’architettura dei regolatori switching SIMO è una di queste. Quando si progettano dispositivi indossabili, come gli auricolari intelligenti (hearable), l'esperienza del consumatore impone, come requisito fondamentale per il progettista, una lunga durata della batteria. Supponiamo che l'utente stia facendo una lunga passeggiata sulla spiaggia o lavorando a un progetto di ristrutturazione della casa. Lui, o lei, probabilmente non vorrà troppe interruzioni. Fermarsi per ricaricare le batterie dei loro auricolari per continuare a sentire la musica potrebbe essere fastidioso. Oppure, consideriamo il caso della progettazione di un cerotto medico. Questo dispositivo potrebbe rimanere nei magazzini per un lungo periodo prima di essere utilizzato. Non sarebbe auspicabile che la batteria del cerotto si esaurisse prima che questo venga utilizzato da un paziente. L'estensione della durata della batteria è un elemento di progettazione impegnativo e lo è ancora di più nei dispositivi elettronici ultra-piccoli, nei quali le dimensioni limitano la capacità della batteria. Da un punto di vista della gestione dell'alimentazione, una buona soluzione per questi tipi di prodotti è un regolatore di commutazione con un'architettura a singolo induttore e uscita multipla (SIMO), ottimizzato per una bassa corrente di riposo. Questo articolo esamina più da vicino l'architettura SIMO ed evidenzia i vantaggi in questi tipi di applicazioni.

Bassa efficienza in una tipica architettura di power management

In un tipico sistema di power management per un dispositivo hearable, l'elettronica di alimentazione è gestita da un IC (PMIC) che utilizza un caricabatterie, un convertitore buck e un regolatore LDO (low-dropout) per alimentare i sensori. Un doppio LDO alimenta il microcontrollore, il Bluetooth e l'audio. Ci sono anche alcuni componenti passivi esterni. Poiché gli LDO sono utilizzati in questa architettura per tre bus di alimentazione, l'efficienza complessiva di una tale implementazione è solo del 69,5% (Fig. 2).

Figura 2: Esempio di un tradizionale diagramma ad albero della potenza per una soluzione circuitale basata principalmente su LDO

Maggiore efficienza con l'architettura SIMO

Come è possibile ottenere una maggiore efficienza? Qui entra in gioco l'architettura SIMO. Illustriamo con un esempio il funzionamento di questa architettura che utilizza i regolatori SIMO buck-boost. In un'architettura tradizionale che impiega convertitori switching anziché LDO per migliorare l'efficienza, ogni regolatore dovrebbe avere un induttore separato per ciascuna uscita, in modo che ogni bus di tensione possa essere servito da un singolo induttore. Gli induttori sono generalmente grandi e costosi in quanto la loro dimensione è proporzionale alla corrente che può essere gestita (definita da Isat, la corrente di saturazione totale). Pertanto, avere troppi induttori non è ideale per dispositivi elettronici ultra-piccoli. Un'opzione più compatta potrebbe essere quella di utilizzare regolatori lineari, ma questi sono poco efficienti. Un'architettura SIMO, d'altra parte, riduce il numero di induttori necessari pur continuando a fornire l’efficienza standard di un classico convertitore switching. Inoltre, riducendo al minimo il numero di induttori, un SIMO riduce ulteriormente l'ingombro totale del layout rispetto alla soluzione con più induttori.

La figura 3 mostra uno schema con i nuovi regolatori SIMO buck-boost. È possibile notare come in questa architettura ci sono tre bus di alimentazione programmabili indipendentemente pur utilizzando un singolo induttore. Questo approccio riduce il numero di componenti, massimizza lo spazio disponibile sulla scheda e offre un'elevata efficienza. Le architetture SIMO con la sola configurazione buck sono un'ulteriore opzione; ma quando una tensione di uscita si avvicina a quella della batteria, il SIMO buck avrebbe bisogno dell'induttore per troppo tempo, influenzando così gli altri canali. L'architettura SIMO buck-boost, richiedendo meno tempo per servire ciascun canale, utilizza l'induttore in modo più efficiente . Inoltre, le soluzioni che richiedono almeno una tensione di boost sono implementate meglio con un SIMO buck-boost.

Figura 3: Schema a blocchi dell'architettura SIMO

In che modo un SIMO utilizza un induttore e ottiene comunque un'elevata efficienza su ogni uscita? Fondamentalmente, è ancora un'architettura switching che utilizza un induttore e mantiene una bassa perdita rispetto ad una configurazione tradizionale, attivando gli interruttori con una caduta di tensione vicino allo zero. Questo permette una bassa dissipazione. Il SIMO aggiunge il beneficio della condivisione nel tempo dell'induttore su ciascuna uscita (SBB0, SBB1 e SBB2 nella Figura 3), utilizzando interruttori a bassa caduta e mantenendo così gli stessi vantaggi di alta efficienza che ci si aspetterebbe da un convertitore buck-boost.

Nella Figura 4 è riportato un esempio di diagramma ad albero della potenza per il sistema mostrato in Figura 2, utilizzando un SIMO e un LDO meno dissipativo (grazie alla bassa caduta di tensione ai sui capi).

Figura 4: Esempio di un diagramma ad albero della potenza con una configurazione ibrida che impiega LDO e SIMO

Riduzione al minimo dei compromessi di progettazione nei sistemi Hearables

I dispositivi indossabili si distinguono dagli auricolari stereo Bluetooth standard in vari modi. Integrano uno o più sensori MEMS ottici o inerziali. Utilizzando la fotopletismografia, un sensore ottico integrato può misurare la saturazione di ossigeno nel sangue, la frequenza del polso o altri segni vitali. Considerando la gamma tipica delle batterie Li+, i LED devono effettivamente funzionare in un intervallo di tensione più elevato (da 4 V a 5 V) per generare un'intensità luminosa sufficiente. Ciò lascia ai progettisti una decisione difficile:

  • aggiungere un buck-boost al sistema, il che significa un altro IC;
  • aggiungere un altro induttore e più condensatori, un'opzione che occupa più spazio e volume;
  • accettare una maggiore dissipazione di potenza, che è indesiderabile nei piccoli sistemi.

L'architettura SIMO buck-boost fornisce una risposta senza spiacevoli compromessi nel design. Questa architettura è in grado di utilizzare una delle sue uscite impostate sulla tensione desiderata, fino a 5,2 V, per pilotare il LED e ottimizzare le prestazioni del sensore.
L'Isat di un induttore è legata alle sue dimensioni. A prima vista, potrebbe sembrare che un SIMO non offra alcun vantaggio rispetto ai buck separati. Tuttavia, rispetto all'utilizzo di convertitori DC-DC separati, un singolo induttore in un'architettura SIMO offre vantaggi significativi:

  • migliore utilizzo della dimensione (altezza) Z (quando è consentito dal sistema);
  • costo; dal momento che non è necessario avvolgere/costruire un certo numero di induttori;
  • multiplexing del tempo. Spesso, le diverse funzionalità non vengono utilizzate contemporaneamente. Quindi, quando un sistema è spento mentre l’altro è attivo, questi possono condividere l'Isat richiesta se condividono a sua volta l'induttore. Questo approccio è utile per eventi che avvengono in sequenza utilizzando bus di tensioni diverse. Un esempio è in alcuni sistemi Bluetooth, in cui i dati possono essere scaricati prima che si attivi una funzione;
  • RMS (corrente nominale per gli induttori) - anche quando i canali non sono multiplati nel tempo, spesso il consumo massimo di potenza non si verifica simultaneamente, il che può ridurre il fabbisogno totale Isat dell'induttore;
  • non è richiesta la spaziatura tra induttori.

Compromessi nelle architetture SIMO e loro gestione

Ci sono alcuni compromessi che coinvolgono l'architettura SIMO, ma con una attenta progettazione possono essere opportunamente gestiti. La tensione di ripple è un parametro da tenere in considerazione. Con un singolo induttore che fornisce più impulsi di energia, la tensione di ripple potrebbe essere più elevata. Capacità di uscita più grandi possono aiutare a compensare questa ondulazione. Rispetto alle architetture tradizionali, le configurazioni SIMO possono presentare più crosstalk.

Un esempio di una soluzione SIMO che risolve questi compromessi è MAX77650 PMIC di Maxim Integrated, che integra un convertitore SIMO DC-DC buck-boost micropower che implementa tre regolatori a commutazione utilizzando un singolo induttore. Con il suo funzionamento ad alta frequenza, il PMIC può utilizzare un piccolo induttore che consente di risparmiare ulteriormente spazio sulla scheda. In un singolo chip (2,75 x 2,15 x 0,8 mm, in contenitore WLP), il MAX77650 integra il caricabatterie e il circuito di regolazione per alimentare il sensore (3,3 V), il microcontrollore (1,2 V), il Bluetooth e l'audio (1,85 V). In modalità standby, consuma solo 300 nA, e in modalità attiva 5,6 µA. Un regolatore LDO (Low-Dropout Regulator), integrato nei PMIC, fornisce la reiezione del ripple per applicazioni sensibili al rumore come l'audio. Resistenze opzionali (24 Ω) in serie con la linea dati (SDA) e la linea di clock (SCL), minimizzano la diafonia e l’undershoot sui segnali di bus, proteggendo contemporaneamente gli ingressi del dispositivo da picchi ad alta tensione. Per prolungare ulteriormente la durata della batteria nell'applicazione finale, ogni blocco in questi regolatori ha una bassa corrente di riposo (1 μA per uscita). Il PMIC opera sempre in modalità di conduzione discontinua (DCM), pertanto la corrente dell'induttore si azzera alla fine di ogni ciclo, il che riduce ulteriormente la diafonia e previene le oscillazioni.

Il convertitore in questa architettura ha uno schema di controllo SIMO con un controller proprietario che assicura che tutte le uscite siano regolate in modo tempestivo. La macchina a stati permane in una condizione di riposo a bassa potenza quando non ci sono regolatori che necessitano di assistenza. Quando il controller riconosce che un regolatore ha bisogno di assistenza, l'induttore si carica fino al raggiungimento del limite di corrente di picco. Quindi, l'energia dell'induttore si scarica sull'uscita associata finché la corrente non raggiunge lo zero. Quando più canali di uscita necessitano contemporaneamente di essere serviti, il controllore assicura che nessuna uscita possa utilizzare tutti i cicli di commutazione. I cicli si intersecano tra tutte le uscite che necessitano di assistenza, saltando quelle che non la richiedono. Una funzione di soft-start è implementata limitando lo slew rate delle tensioni di uscita durante l'avvio. Ogni canale SIMO buck-boost fornisce una funzione di active-discharge che viene automaticamente attivata indipendentemente da ciascun canale SIMO, in accordo allo stato del regolatore. Questo approccio permette lo spegnimento completo e tempestivo delle periferiche del sistema.

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