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适用于可穿戴设备的超低功耗系统

发布时间:2019-04-26 12:06:26 文章来源:未来智讯    
对于可穿戴设备的超低功耗系统:德州仪器虽然典型的大脑可穿戴设备即将掌握嵌入式微控制器(MCU),但功率由可穿戴设备的绝对关注点管理。 一个非常小的电容器电池,带有电源,各种功能阵列和极小的解决方案尺寸,需要一个新的独立电源管理解决方案,该解决方案运行良好。 但是,当超低功耗优化的MCU和超低功耗优化的DC / DC转换器协同工作时,我们可以为可穿戴应用提供功能丰富的工作设备。 可穿戴系统可穿戴设备将多个工程制造领域与MCU及其集成功能和外围设备相结合,作为切入点。 温度传感器,模数转换器(ADC),显示驱动器,蓝牙低功耗(BLE)RF甚至加密通常都集成在MCU中。 其他的,例如加速度计或压力传感器,由它们系统的通常属性分开。 MCU和传感器行业描述了可穿戴设备的特性和功能,增加了这些产品的吸引力并精确定位了市场定位。 对于超小型可穿戴设备,该系统的重点是电源管理。 如果可穿戴设备必须每天多次充电,或者如果电池组太重,则该产品将失去其吸引力。 提供数天,并保持设备小巧轻便,有必要有效地将电池的有限功率转换为可通过超低功率优化电源供负载使用的能量。 图1显示了光学心率监测器的典型框图。 超低功耗微控制器尽管MCU必须为可穿戴设备提供各种功能阵列,但它们不能承受过多的能量损失。 先进的低功耗模式必须有助于使用每个子电池能量。 睡眠或待机模式下的超低功耗特别严重,因为可穿戴设备在许多工作时间内处于无用户干扰模式。 对于电池来说,在睡眠模式下损失数百μA,即使只有1mA的电流也似乎更多了。 相反,MCU的有源模式功耗应在此限制范围内。 这种低功耗要求不同的MCU成为针对超低功耗应用而优化的MCU。 图2显示了带有集成温度传感器,差分ADC和加密的MCU示例。 该MCU在工作模式下仅消耗100μA/ MHz,在待机模式下仅消耗450nA。 。 集成的FRAM存储器(高达64KB)能够提供低待机功耗,同时将封装尺寸减小到2mm x 2mm,使其易于安装在任何可穿戴设备上。 超低功耗DC / DC转换器DC / DC转换器的功能是池不会改变的电压和有价值的电能被转换成系统中各种设备所需的分散电压。 某些子系统(如RF)需要低噪声。 其他子系统,例如传感器,可能具有更高的关断泄漏,并且必须将它们与电源轨断开,而不是仅仅关闭它们。 处理可穿戴设备中的所有子系统需要低流量消耗。 因此,DC / DC转换器必须针对超低功耗操作进行优化,这对系统供电很有用。 它还必须在极低输出功率环境中保持高性能。 图3显示了超低功率DC / DC转换器及其系统更新的示例。 为了在很小程度上保持解决方案的尺寸,MCU,BLE RF和传感器使用的电压是共模电压。 由于它直接连接到DC / DC转换器的输出,因此MCU始终可以通电。 传感器耦合到集成负载开关的输出。 该负载开关仅在需要为传感器供电时(即,当用户向传感器请求数据时)关闭。 在使用可穿戴设备的大部分时间中,不必使用传感器,因此传感器处于闭合状态。 接通负载开关可消除DC / DC转换器输出的漏电流,从而减少从电池汲取的电流量。 该DC / DC转换器的DCS-Control技术可提供极低的噪声输出,是噪声敏感应用的理想选择。 该DC / DC转换器的2.9mm x 2.3mm x 1.1mm整体尺寸,以及无需外部元件的全套胜利,可满足可穿戴设备的极小尺寸要求。 图4显示了将3.6V输入转换为MCU所需的2.1V电压时统一DC / DC转换器的效果。 由于其节能模式针对超低功耗和360nA的静态电流(IQ)进行了优化,当负载仅为10μA时,效果仍可高于80%。 结论针对超低功耗优化的DC / DC转换器与超低功耗MCU配合使用,本身就是可穿戴设备的高效紧凑解决方案。 在这两个设备中,高水平的功能和组件集成提供了非常小的解决方案尺寸。 DC / DC转换器的超低360nA静态电流与MCU的450nA待机电流相结合,可在非常小的电池供电环境中运行。
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