內置于眼鏡，手表，運動追蹤器甚至衣服中的無線傳感器有望徹底改變連接性，并構成物聯網（IoT）的關鍵部分。一些分析師預測到2020年該行業的價值將達到驚人的1310億美元。雖然可穿戴電子產品代表著領先的技術，但它只是空間受限設計的最新例證，可以挑戰工程師。

緊湊型產品的強大功能供應設計師在特殊的壓力下，因為他或她預計會提出一個強大的電路，依靠一個小電池，只占幾十平方毫米，為處理器，內存，外圍組件，甚至可能是一個能源供電 - 饑餓的顯示器。幸運的是，工程師可以充分利用新一代微型DC/DC開關電壓轉換器（“穩壓器”）之一。這些高度集成的電源模塊適用于小尺寸，同時提供與更大型設備相媲美的效率和功能。本文將詳細介紹為空間受限應用設計的開關穩壓器。

使用小型電池

可穿戴式電子設備是Lilliputian工程中的一項練習。一個關鍵的設計標準是產品應該是不引人注目的。這限制了尺寸和重量，進而影響了電源的容量。一些產品，例如具有強大計算能力的智能手表和GPS，被設計為無線連接的“體域網”的“集線器”，并且可能使用消費者接受的鋰離子電池，每隔幾天需要補充一次。然而，購買者將不太可能容忍對構成個人網絡外圍元件的小型傳感器（例如，心率監視器和速度和距離吊艙）進行充電或頻繁更換電池。

工程師需要推出可以使用微型電池運行數月的傳感器，例如Energizer的CR2032紐扣電池（鋰/二氧化錳［Li/MnO2］電池，這是電子產品（如電子手表）的流行選擇）。 Energizer的紐扣電池標稱電壓為3 V，標稱容量為240 mAh，然后電池電壓降至2 V以下。

假設心率監測器等傳感器每天使用一小時，則計算簡單（ 240 mAh/90 x 1 hr）顯示電池的平均電流消耗必須低于2.7 mA，電池持續時間超過三個月。然而，實際的電池容量受到需求模式和放電率的嚴重影響。1例如，幾乎所有可穿戴傳感器都采用低功耗無線技術，如藍牙低功耗或ANT +，當無線電周期性傳輸時，會向電池施加脈沖消耗數據，以及為設備的其他電子設備供電的持續消耗（參見圖1）。

圖1：Dayton心率監測器采用藍牙低能耗無線技術并可運行一年的CR2032電池（由Nordic Semiconductor提供）。圖2說明了這種脈沖負載如何影響電池的“可訪問”容量。在該示例中，占空比為1 ms ON/14 ms OFF，在通過120歐姆負載放電的2.7 V時需求為23 mA。從圖中可以看出，對于這種情況，在電壓降至2 V以下之前電池的可訪問容量接近170而不是240 mAh。因此，如果電池持續三個月，心率監測器的平均電流消耗必須小于1.9 mA（170 mAh/90 x 1 hr）。

圖2 ：CR2032紐扣電池在脈沖消耗下的放電曲線（由Energizer提供）。

耗盡能量

限制在平均電流小于2 mA且峰值電流消耗小于30 mA（約為可以從CR2032中提取的最大值，而不會嚴重影響容量2）在占用空間小的情況下，難以為可穿戴傳感器設計電源。

管理功率預算最好在增量設計步驟中完成，這些步驟考慮物理硅，工作電壓和模式，電壓調節器，適應時鐘速率，電路布局和軟件等技術。每一步產生的結果都很小，但整體效果顯著。但是，電源電路中最關鍵的部分是電源模塊本身。在材料清單（BOM）預算的限制范圍內，可以集成到芯片上的功能越多，可能的節能和電路板空間減少的可能性就越大。 （請參閱TechZone文章“延長鋰離子電池壽命的設計技術”。）

在設計具有長電池壽命的便攜式產品時，將開關穩壓器與其控制器集成在一起的電源模塊是一個很好的起點。與線性穩壓器相比存在一些缺點，例如，增加的電磁干擾（EMI），更高的成本和更高的設計復雜性，但是當節能是主要考慮因素時，開關穩壓器的效率高于其他缺點。供應商提供各種非常緊湊和功率節省的芯片，專門針對便攜式設計。德州儀器（TI）提供TPS62240，這是一款針對電池供電的便攜式應用而優化的高效同步降壓（“降壓”）開關穩壓器。

TPS62240工作在2.25 MHz固定開關頻率并進入省電模式在輕負載電流模式下，在整個負載電流范圍內保持高效率（參見TechZone文章“DC/DC開關電壓轉換器的脈沖頻率調制的優點”）。此外，通過進入“休眠”模式，穩壓器的電流消耗可降至1μA以下。

TPS62240的高工作頻率允許使用更小的電感器和電容器，有助于減少電源尺寸。該芯片本身采用5引腳TSOT23和6引腳2 x 2 mm SON封裝。該芯片的輸入電壓范圍為2至3 V，輸出電流超過2 mA，效率保持在90％以上（見圖3）。

圖3：德州儀器公司的TPS62240保持高效率寬輸出電流范圍。

凌力爾特公司為小型便攜式設備提供一系列開關穩壓器。經過驗證的解決方案是該公司的LTC3549降壓開關穩壓器，采用2 x 3 x 0.75 mm DFN封裝。與TI芯片類似，凌力爾特公司的產品在2.25 MHz的固定頻率下工作，以減小外部電感和輸入輸出電容的尺寸。

LTC3549可在1.6至5.5 V輸入范圍內工作，并且可以提供高達250 mA的輸出電流（VIN = 1.8 V，VOUT = 1.2 V）。該器件采用“突發模式”技術，可在輕負載時提高效率并延長電池壽命。在突發模式操作期間，電源電流降至50μA，在“關閉”模式下，電源電流降至1μA。效率峰值為93％（VIN = 1.8 V，VOUT = 1.5 V，負載電流= 20 mA）。

針對空間受限的便攜式應用，Maxim Integrated提供MAX1672。該產品是降壓開關電壓調節器，結合線性穩壓器，該公司聲稱有助于減小外部電感器的尺寸并濾除輸出電壓中的紋波。該器件采用6 x 5 mm QSOP封裝，可接受1.8至11 V的輸入電壓，同時使用兩個外部電阻提供1.25至5.5 V的輸出。典型效率為85％。該芯片可提供高達300 mA的電流（VIN = 2.5 V，VOUT = 5 V）。

可擴展的可穿戴電子產品市場為電子設計人員提供了一個利潤豐厚的機會。通過將產品的電源基于各種經過驗證的開關穩壓器，工程師可以充分利用小電池的容量，同時確保其電路設計能夠擠入消費者期望的緊湊外形。