česky english Vítejte, dnes je středa 08. prosinec 2021

Nositelná zařízení: postupy optimalizace správy napájení

DPS 6/2020 | Vývoj - články
Autor: Mark Patrick, Mouser Electronics

Hlavní konstrukční problémy, kterým návrháři nositelné elektroniky čelí, spočívají v požadavcích na celkovou kompaktnost a nízkou spotřebu energie. V prvním případě jde o větší pohodlí pro uživatele, ve druhém pak o dlouhodobý provoz bez nabíjení. Obě tyto vlastnosti mají přímý vliv na ochotu taková zařízení používat, zároveň však mohou konstruktéry nutit ke kompromisům.

I když se fyzické rozměry mikroelektronických součástek zmenšují, úroveň jejich složitosti neustále roste, což umožňuje nabízet stále nové a nové funkce. To se následně promítá do vyšších nároků na energii. Používané technologie správy baterií musí umožňovat rychlé nabíjení, aby bylo možné nositelná zařízení používat dostatečně dlouho bez častého a nepohodlného připojování k externímu zdroji. Z toho vyplývá nutnost inovace stávajících integrovaných obvodů pro správu napájení (PMIC).

Moderní nositelná zařízení umožňují uživateli sledovat široký rozsah důležitých parametrů. V závislosti na konkrétním účelu zařízení jsou některé z nich důležitější než jiné. O tom, které veličiny lze a nelze měřit, rozhoduje do značné míry umístění zařízení na těle. Obecně platí, že nejvhodnějším místem k nošení je zápěstí, protože dovoluje optimálně monitorovat parametry související se zdravím a kondicí a současně získané údaje snadno kontrolovat.

Je tedy zřejmé, že cílem je dosáhnout mimořádně nízké spotřeby energie při zachování kompaktních rozměrů. Jednoduchá a lehká provedení jsou pro zákazníky nejpřitažlivější a nejlépe se prodávají. Návrháři proto musí tento požadavek při vývoji produktu zohlednit. Konstrukce nositelného zařízení však současně omezuje rozměry použité baterie, a tím i provozní dobu. Nutnost častého nabíjení přitom patří mezi nejčastější příčiny nespokojenosti uživatelů.

nositelná zařízení

Návrh správy napájení: efektivní řízení spotřeby

Udržování minimální spotřeby energie v kombinaci s požadavky na omezené rozměry baterie staví konstrukční týmy při návrhu obvodů před obtížná rozhodnutí, jejichž výsledkem musí být plně optimalizovaný konečný produkt. Uživatelé nositelných zařízení vyžadují rozmanité multimediální a měřicí funkce spolu s dostatečnou výdrží baterie, to vše při zachování kompaktního provedení. Obecně používaný přístup spočívá v rozdělení obvodů na analogové a digitální bloky podle specifických požadavků na napájení a následné snaze o vhodnou optimalizaci. Některé části lze v klidovém stavu deaktivovat, jiné musí být v provozu neustále.

Typická architektura nositelného zařízení obsahuje následující prvky: mikrořadič, paměť, malý displej, vhodné mechanismy senzorů, komunikační obvody a doprovodné obvody správy napájení. Správu napájení zajišťuje integrovaný obvod PMIC odpovědný za nabíjení v kombinaci s různými snižujícími měniči a několika regulátory napětí s nízkým úbytkem (LDO), které zajišťují funkci připojení Bluetooth/Wi-Fi.

Systém správy napájení nositelného zařízení musí podporovat několik úrovní napětí – jednu pro mikrořadič, jednu pro displej a obvykle jednu pro senzory. Mikrořadiče a senzory tráví většinu času v režimu spánku, aktivují se však za účelem plánovaných funkcí nebo v reakci na povel uživatele. Řada senzorů nositelných zařízení pracuje s napětími do 0,8 V. Je-li zátěž značně aktivní (jako například senzor tepové frekvence, který provádí vzorkování každých několik sekund), běžně očekávaný proud mikrořadiče činí 35–40 μA na jeden megahertz. Jeho návrh má proto při snaze o minimální spotřebu zásadní význam.

Systém správy napájení zajišťuje převod stejnosměrného napětí dvěma způsoby:

  • Pomocí lineárních regulátorů – mohou být plně integrované do čipů obvodů PMIC a umožňují škálování napětí.
  • Pomocí indukčních spínaných regulátorů – mohou být vysoce účinné a umožňují škálování napětí, obvykle však jde o samostatné součástky.

Tyto regulátory se liší fyzickými rozměry, flexibilitou, účinností atd. Proto je třeba při návrhu projektu nositelného zařízení zvážit následující body:

  • Může být vhodné použít regulátory s mimořádně nízkým proudem IQ. Tyto regulátory snižují pohotovostní spotřebu trvale aktivních senzorů a periferií, což prodlužuje výdrž baterií a umožňuje použít jejich menší typy.
  • Účinné regulátory mohou výrazně snížit spotřebu v aktivním stavu, když se zařízení používá a probíhají měření nebo datové přenosy.
  • Integrace podporuje implementaci pokročilých architektur napájení v prostředích s extrémně omezeným prostorem.

Volba vhodného regulátoru napětí je ve snaze o maximální účinnost kritickým faktorem. Rovněž je nezbytné posoudit spotřebu energie jak v aktivním, tak v pohotovostním režimu. Použití rozhraní s maximálním impedančním přizpůsobením může pomoci udržet proud na minimu a prodloužit výdrž baterie. K dispozici jsou špičkové regulátory s nízkým úbytkem napětí (LDO), jako je například ISL9016 od firmy Renesas, které mohou do každého kanálu dodávat proud až 150 mA. Obvod se vyznačuje elektrostatickým odporem (ESR) až 200 mΩ. Naměřený klidový proud se obvykle pohybuje kolem 60 μA.

nositelná zařízení 1

Spínaná konfigurace je obvykle účinnější než technologie LDO, pro různé úrovně napětí však vyžaduje několik indukčních cívek. To zvyšuje náklady a rozměry, a proto je toto řešení pro nositelná zařízení nepraktické. Preferovanou architekturou správy napájení v této oblasti je technologie SIMO (Single-Inductor Multiple-Output), která využívá pro více výstupů jednu cívku a snižuje tak počet potřebných součástek.

Integrované snižující/zvyšující regulátory SIMO, jako je například MAX77650 od firmy Maxim Integrated, využívají jednu indukční cívku k regulaci až tří výstupních napětí v širokém rozsahu hodnot v závislosti na požadavcích obvodu. Snižují tak počet samostatných součástek, což vede k úspoře místa.

Kapacita baterie a rozměry produktu

Typickým problémem při návrhu je zajistit dlouhou výdrž baterie v různých scénářích používání. V chytrých hodinkách obvykle bývá místo jen pro jednočlánkovou baterii Li-ion s napětím 3,8 V a kapacitou 130–410 mAh. Li-ion je u malých nabíjecích baterií nejrozšířenější technologií. Účelem řízení baterie a systému nabíjení je pečlivé sledování proudu, napětí a teploty při nabíjení a provozu. Hlavním cílem je minimalizace spotřeby samotného systému, zkrácení doby nabíjení a maximalizace dostupné energie baterie. Vysoce integrovaný obvod BQ25100 od firmy Texas Instruments je speciálně navržený pro nabíjení jednočlánkových baterií Li-ion a umožňuje použití levných síťových adaptérů s nestabilizovaným výstupem. Tento PMIC rovněž podporuje baterie jiných technologií, například lithium-polymerové.

I když jsou baterie Li-ion oproti jiným technologiím nejrozšířenější, co do výkonu, rozměrů a počtu cyklů nemohou konkurovat superkondenzátorům. Postupující miniaturizace nositelných zařízení neustále zmenšuje jejich vnitřní prostor. Aktuálním trendem je proto nahrazování baterií superkondenzátory, které uchovávají energii zcela novým způsobem na principu nanotechnologií. Na rozdíl od baterií umožňují dobře získávat energii z okolních zdrojů (tzv. energy harvesting) a jejich nabíjení může trvat pouhých několik sekund. Vydrží také téměř neomezený počet nabíjecích cyklů. Ultratenké superkondenzátory DMH od firmy Murata se vyznačují kapacitami 35 μF, jmenovitým napětím 4,5 V a hodnotou ESR 300 mΩ, přičemž jejich pouzdra mají rozměry pouhých 20 × 20 × 0,4 mm.

V současné době probíhá výzkum řešení energy harvestingu jako pomocného zdroje energie pro nositelná zařízení, který odstraňuje omezení spojená s jejich nízkoenergetickou povahou.

Jeden ze zajímavých přístupů využívá generování malých elektrických proudů vznikajících při relativním pohybu různých vrstev materiálu – proces označovaný jako tribologické nabíjení. Při vzájemném tření materiálů vzniká elektrický náboj. Vložením různých vrstev materiálu mezi dvě vodivé elektrody lze při každém tělesném pohybu vygenerovat několik mikrowattů elektřiny pro dobíjení baterie nositelného zařízení a optimalizovat tak provoz systému napájení.

Závěr

Nástup specializovaného a stále účinnějšího hardwaru posouvá trh nositelné elektroniky směrem ke stále většímu počtu mobilních zařízení. Dostupnost nových obvodů typu PMIC a specializovaných SoC od firem, jako jsou Microchip a Analog Devices, umožní nové generaci nositelných zařízení najít správnou rovnováhu mezi energetickou účinností, výpočetním výkonem a kompaktností.

U elektronických zařízení velikosti sluchátka nebo náplasti jsou kapacity baterií značně omezené. Komplexní přístup k vývoji může pomoci nalézt řešení, která šetří každý mikroampér dostupné energie a prodlužují tak dobu provozu na baterie.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik