深入研究可穿戴设备和物联网的轻负载高效低噪声电源参考设计（TIDA-01566）

大家好，欢迎来到我们培训的第二部分， 你可以同时拥有低噪音和高效率。 在本节中，我们将深入研究 参考设计TIDA1566， 这是一种用于可穿戴设备和物联网的 低负载高效低噪声电源。 在这个设计中，我们将实现非常小的尺寸 和非常高效的光负载和满载 以及低噪声所需的 电源敏感模拟电路。 我们的一些设计目标是 这种电源的最小尺寸， 使它可以适应可穿戴设备。 同样，高度--简介-- 也很重要。 当系统处于待机状态时， 我们需要一个低的静止电流，以便在轻负荷下高效工作。 我们还需要一个高的满载效率， 以不影响用户 从过度温升的设备。 你可以想到健身追踪器 和病人监视器，它们戴在身体上或身体里。 你不能在这些设备中有一个高的热点。 我们还需要一个足够低的噪音为敏感传感器 和其他模拟电路供电。 但不是最低可能的噪声，如10微伏RMS， 甚至是纳伏RMS，这需要非常高的偏置电流， 这与我们的低IQ需求相矛盾。 我们希望这个解决方案能适应不同的输出电压， 这样就能支持 不同的系统，不同的传感器，不同的MCU， 不同的无线电。 小巧、高效、安静、灵活。 这种参考设计是一种两级方法， DC-DC将输入电压转换为中间轨-- 在本例中电压1.4-- LDO清除该电压，在负载时 产生所需的1.2伏特。 这种具有1.4伏特输入和1.2伏特输出的LDO 称为低输入低输出LDO。 这是一个趋势，我们看到在电子与较低的总线电压 和压缩电压转换， 以提高LDO的效率。 由于效率 与整个LDO上的电压差成正比， 所以在LDO上降低电压降将是一个更有效的解决方案。 这些LDOs还设计了较低的静态电流， 以优化这类系统。 在左边的常规方法中， LDO的值更高，输入电压为2.5伏。 这是因为LDO中的这些电路 需要最低电压才能工作， 这就导致了更低的电压降-- 0.7伏--穿过LDO。 此外，更高的偏置电流 也没有帮助。 看看右边，我们减小了偏置电流， 也使低输入低输出的LDO 将1.2伏 转换为1伏。我们选择使用电池电压-- 3.6伏，在这种情况下--作为偏置或LDO的功率。 因此，LDO不需要输入电压。 它可以运行从3.6伏和转换1.2伏到1伏。 这将减少72%的电力损耗。 看看过去在LDO中使用的设备-- 这是所有电流通过的主要MOSFET-- 我们可以选择N型或P型。 P型-- mosfet中的PMOS-- 是最经济、最简单的。 然而，与通道内场效应管相比， 在相同的RDS上，它需要大约三倍高的 模具面积， 因此它是一个硅中效率较低的晶体管。 最后，因为门极电压 必须低于源极电压才能打开PMOS场效应管， 要打开这个场效应管就必须限制我们 可以运行的最小输入电压因为大多数晶体管的阈值电压 都在1.4伏特左右，这是最坏情况。 看，使用一个NMOS晶体管作为通过器件 是更有效的，从我们的模具面积上更有效， 从RDS的角度来看， 它也减少或消除了Vn依赖， 因为门是由一个单独的 V偏置网络控制的。 这将使PSRR性能变平， 从而更少地依赖于端部转换的电压， 并且使用N通道FET 而不是P通道 允许我们支持更大范围的输出电容 和更低的输出阻抗。 然而，需要更高的门电压--记住， 我们需要一个门来源正阈值 在这种情况下高于1.4伏-- 将要求用户要么在外部添加一个V偏置电压， 要么LDO可能在内部创建一个 带有电荷凸点的电压。 现在，电荷冲击给输出增加了噪音， 增加了静压电流， 所以它不会在我们的系统中使用。 而且，我们的电池有更高的偏置电压。 让我们开始查看实际的引用， 首先关注大小和高度。 这是一张真实的PCV的照片， 放大显示了整个设计， DC-DC加LDO。 整体尺寸，如果你在它周围画一个 大约4毫米乘2.7毫米的矩形。 但并不是所有的空间 都被所需的组件填满。 在这张图中作为参考， 下面这个电阻--它没有被填充-- 是一个0603的尺寸，非常大。 比电路中的任何东西都要大得多。 蓝色阴影区域是LDO及其无源器件， 电容--输入上限、输出上限 和V偏置上限。 红色阴影区域是DC-DC及其通道-- 输入上限、输出上线、电感器 和用于设置输出电压的电阻。 红色和蓝色混合的区域 是LDO和DC-DC之间共享的电容器。 因为这些解是如此之小， 我们可以在电路之间共享电容， 输入间隙和输出间隙。 这减少了BOM数量、BOM成本 和整个解决方案的大小。 最后，下面这个阴影电阻 是用来设置DC-DC的输出电压的。 根据您需要的输出电压， 您可以完全移除该电阻。 从高度上看，电感器是最高的元件， 和往常一样，0.65毫米高。 有较低的高度选项在0.6毫米 和0.55毫米，这需要 在x和y维度上增加解决方案的大小。 接下来，使用的0201电容器的 最大高度为0.55毫米，其次是 集成电路的最大高度为0.4毫米。 总的来说，对于所有的部件， 它占据了8和12平方毫米。 进入下一个关键参数，针对该设计， 没有低输入电流，或切换IQ，进行测量。 DC-DC的IQ最低，或者说切换IQ最低， 为2.5微安，其次是LDO， 约为6微安，整个设计 只有8微安多一点，所以没有低输入电流。 这是一种很好的平衡噪声与空载输入电流 和轻量级效率的方法， 我们将在下面的幻灯片中看到。 在进一步讨论之前，让我来问问您， IQ是否在您的应用程序中。 如果这个特定的轨道是打开和关闭的， 或者从来没有一个非常，非常轻的负载， IQ可能不想关。 你可以阅读我的论文slyt412， IQ， 它是什么，它不是什么， 以及如何使用它来获得更多的信息。 IQ影响效率，但效率 也受到功率晶体管的RDS的影响， 尤其是在满载时。 从LDO解决方案转移到DC-DC + LDO解决方案 可以在较重的负载下提高32%的效率。 从另一个角度来看， DC-DC + LDO方案的效率 仅比DC-DC方案低10%。 所以这就是低噪音的代价 在更高的电流下大约有10%的效率。 在较低的电流下，我们有相似的数值。 最后，我要指出的是所有这些数据都是在 输入电压为3伏特的情况下得到的 因为LDO的输入范围被限制在3.3伏特。 当充满电的电池的输入电压增加时， LDO的效率会随输入电压线性下降， 而DC-DC 和DC-DC+LDO电路的效率 只会略有下降。 这是非常重要的考虑， 如果您的应用程序在这些电路 将运行的电压输入中。 现在，更高负载下的效率 会影响温升， 这对穿戴式设备的用户来说是不舒服的。 这里我们考虑的是最坏的情况 300毫安的负载，但只有 同样，你的系统在大部分电池运行时 可能会有更高的输入电压。 DC-DC + LDO电路 实现了10℃以下的温升-- 所以这可能不会被用户感觉到-- 而单一LDO电路，当然， 达到了一个非常高的温升约40摄氏度， 这肯定会影响用户。 因此，在前端使用DC-DC变换器， 效率更高，功耗更低， 就等于温升更低， 这给用户带来更好的体验。 从尺寸、身高、IQ和效率开始， 噪音是这个参考设计 要处理的下一个参数。 有各种各样的噪音。 首先是输出电压纹波。 这是我们实验室里用示波器测量的 标准仪器。 它是测量由于DC-DC变换器 在频域的开关动作 而引起的电压变化。 输出电压噪声密度和输出电压杂散噪声 在频域内进行测量， 并告诉你各种频率或频段的 噪声幅值、或噪声幅度。 负载瞬态响应 是用示波器进行的另一种时域测量，它反映了由于负载变化 而引起的输出电压的变化。 这并不是一个真正的噪声源， 但对于无线电 和其他设备的监控是至关重要的， 这些设备在应用中可以非常快速地 从轻负荷切换到重负荷。 这是我们的第一波a电压纹波 以光负载的形式出现，比如说毫安。 因为我们用的是 K大小的电容， 有效电容很小， 所以纹波很大。 它在DC-DC上大约是40毫伏， 但是你可以看到音频很好地 把这个清除到几乎没有。 这是因为在节电模式下， DC-DC开关的频率非常低， 在本例中，假设为14.3千赫兹， LDO的PSRR(电源纹波抑制)非常高。 这是这些应用程序中 LDO的主要用途， 用于清除DC-DC中的 这种低频省电模式波纹内容。 在较低的负载下，工作频率将进一步降低。 将进一步降低，从14.3千赫兹， 并绝对进入可听到的范围。 然而，在这些应用中，可听到的噪声 通常不是一个问题，因为整体的低纹波幅度 不够高，不足以激发陶瓷电容器中的 压电效应，以及在这些设计中使用的 非常非常小的K尺寸电容器。 小型K型陶瓷电容器 对触发的压电效应 具有较强的免疫力。 为了准确地理解LDO 是如何接收40毫伏信号 并将其减少到几乎为零的， 我们可以查看数据表中的 PSRR图。 在1毫安，这是我们的条件，在14.3千赫兹， 我们得到大约45分贝的PSRR。 在DC-DC的开关纹波为40毫伏的情况下， 我们可以应用这个公式，使我们得到 几百毫伏的 峰值到峰值的纹波，这在示波器上 几乎无法读取。 现在，这种低频高纹波噪声含量 可能成为无线电的一个问题。 在左边，我们有一个BLE SOC， CC2540直接从一个 具有完美的输出信号频谱。 用我们的TPO62730驱动相同的设备， 我们得到了相同的噪声性能。 这是一种调节DC-DC变换器， 具有较高的开关频率，在省电模式 和较低的输出电压纹波。 使用不同的DC-DC 为同一台收音机供电， 这是非射频友好的，具有较低的 开关频率和高纹波。 我们看到一些边带会影响收音机的 输出功率和噪声性能。 我们可以使用适当的DC-DC 与足够的输出电容，以获得较低的纹波 或使用LDO清理噪声。 来看看更高的负载， 这是300毫安的全功率。 我们看到DC-DC纹波减小到大约20毫伏。 在PW模式下，纹波总是较低， 而在低电流下，纹波总是比PFO模式下的纹波大， 这20毫伏仍然被LDO降低到0。 开关频率要高得多，在2.86兆赫。 这将极大地改变LDO的PSRR， 因为2.86兆赫 不在LDO的带宽之内。 我们在PSRR图上确认了这一点， 在右边这里曲线 开始再次增加的地方超过了LDO的带宽。 现在，这里仍然有一些PSRR， 尽管它超出了LDO的带宽， 因为功率晶体管的电阻， 输出电容，和寄生在板上的 滤波器。 所以在2.86兆赫，我们得到大约33分贝的PSRR。 将其应用于20毫伏， 我们得到了450毫伏的纹波信号 在LDO的输出端。 还是很低，很干净。 从频域的角度来看输出噪声， 我们先得到这个噪声密度的输出。 现在，这是在给定的频带上对噪声进行整合， 比如10赫兹到100千赫兹， 得到噪声的总RMS值。 在这里的低频区域， 我们可以看到1/F噪声主要来自于带隙。 而DC-DC具有高于F的噪声， 这是其具有较高噪声性能的 重要原因。 DC-DC加LDO和LDO 具有相同的 1/F噪声性能，因为它们在最后阶段 使用了与LDO相同的带隙， 唯一的区别是当DC-DC逆变器开关时， 频率超过100千赫兹。 我们可以看到 LDO的PSRR在这里 再次发挥作用， 在开关发生几个数量级的高频率处降低了噪声。 即使这个参考设计中的 DC-DC + LDO电路 在这个频率上仍然有一些噪声， 但这个频率要低得多，通常不是一个问题。 看看我们频率的这些杂散噪声， 我们可以看到，同样的， LDO专用设计 是没有噪声的，而其他两个 在开关频率有这些切换杂散。 红色的是DC-DC之后的LDO， 噪声明显降低， 这两个电路之间的频率偏移 仅仅是由于DC-DC 在不同的上电压下的 开关频率略有不同。 在TIDA基准设计电路中， DC-DC的工作电压为1.4伏， 而在DC-DC单机电路中， 它的工作电压为 负载所需的1.2伏。 这是一种典型的负载瞬态响应波形， 来自于备用负载电流，(如10微安培) 和传输负载电流(约50毫安)之间的无线电切换。 这个负载步骤会导致LDO中的 电压下降，这也会导致 DC-DC中的电压下降。 我们需要控制电压降的大小， 以确保它足够小，对于我们的无线电。 在负载暂态之前， 我们可以看到 DC-DC的轻负载脉动， 也就是非常高的40毫伏， 你会看到，当负载电流 增加到50毫安时，我们仍然处于省电模式， 但是由于负载电流增加，波纹已经减小了。 这种轻负荷高效的可穿戴设备电源的 最终设计目标是适应性。 我们如何改变输出电压来适应不同的负载 或是不同的应用，不同的传感器， 不同的MCU，不同的无线电？ 或者我们如何通过调整LDO上的电压 来调整不同应用的效率 和噪音之间的平衡？ 采用这种设计的TPS 6280系列 允许使用48种不同的电阻 和/或不同的IC部件号 选择不同的输出电压。 所以你可以有相同的电路， 只是改变BOM得到不同的输出电压 在48个设定点之一。 TPS 7A10系列的LDOs目前 包含大约11个固定的输出电压部件号。 所以只要为LDO 选择一个不同的零件号 你就可以为不同的系统 选择不同的输出电压。 总结TIDA01566的关键性能指标， 我们可以看到它是最大的尺寸， 但这样做是为了获得比任何较小的电路 所能达到的噪音更低，同时达到类似的效率。 同时达到类似的效率。 所有的设计都是低调的。 所有的设计都有低IQ。 最低的是DC-DC本身。 只有LDO含有可检测到的 高温上升。 TIDA电路保持了本设计的 低噪声性能，同时保持了较高的效率， 所有的设计都可以通过 不同的BOM部件进行调整。 以下是本设计的概述，它使用TPS62801 创建了1/4伏的中间轨道， 然后TPS7A1012P向下转换为 1.2伏的负载。 我们刚才讨论的所有关键性能标准 都总结在这里，一些关键的应用程序 在这里显示。 与只使用LDO实现相比， 这确实提高了 同时将只使用DC-DC实现的效率 降低了约10%。 回到我们的设计目标， 这是最小的尺寸和较低的高度。 这确实保持低IQ 和良好的满载效率， 没有温度上升。 我们确实有足够低的噪音功率传感器 和其他敏感的电子设备， 我们可以适应不同的 输出电压和系统。 这个设计达到了目标。 感谢大家观看第二部分， 在我们讨论 TIDA01566深潜的地方，