《電子技術應用》
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基于Intersil的電源管理產品及低功耗設計介紹
摘要: 本文將通過介紹Intersil的電源管理芯片,來、為用戶低功耗設計提供一定的參考,并通過便攜式家用血氧儀產品設計為例,來闡述Intersil在便攜產品上低功耗設計的一些要點和技巧。
關鍵詞: 電源管理 功耗 LDO
Abstract:
Key words :

  在現在化的便攜式產品設計中,一方面我們需要更強的電源來應對產品更新帶來的大電流需求,另一方面,工程師們還得注意滿足其較高的便攜性要求。這要求設計師們既要注意產品電源通路上的轉換效率,設計出非常合理的電源管理系統和負載管理系統,同時又要注意到長久的電池運行時間、與多種電源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和有效的熱管理等。

  Intersil作為業界的低功耗的領軍廠家,尤其是在電源管理的低功耗處理上,推出了一系列性能優越的產品,從產品功耗,封裝大小,轉換效率,芯片熱阻,保護電路,EMI/EMC性能,輸出電壓電流噪聲,外部補償等各方面為用戶的便攜產品設計提供新思路。

  DC/DC

  Intersil推出的DC/DC ISL8012內部集成MOSFET,并具有欠壓,過壓和過溫保護功能,同時也具有硬件關斷和啟動功能,其輸入電壓最高可達13V,輸出電壓可到17V,輸出電流為600mA,開關頻率最高750KHz可調節,在一些較低的頻率(200kHz)應用中轉換效率可達92%以上,而其關斷電流可達到<0.1uA。非常適合一些3.3v到15v電壓轉換場合,比如OLED,電源應用,TF-LCD應用等,而其極小的封裝形式3mm x 4.9mm x 1.1mm和靜態電流<0.1uA,也很適合一些應用在便攜式產品設計中。

  Intersil另一款高性能DC/DC ISL8502/ SL8560可通過編程切換頻率和外部同步顯著降低噪聲和 EMI濾波需求。它具有500kHz至1.2MHz可調的切換頻率范圍確保了高效性和較小數目的外部元件。采用耐熱增強性封裝設計,其外部補償也大大提高了設計的靈活性,廣泛應用于信息集抄,機頂盒,ADSL調制解調器,交換機,路由器,POS機等高EMI要求的場合的電源管理中.

  在一些大電流的應用中,可以推薦使用EL7566,最大可以輸出6A,同時內部有過溫保護,到135度自動關斷。其標稱輸出電壓精度可達5%,轉換效率可達96%,高達1MHz的可調的開關頻率并且整個轉換器也僅僅占用不到0.58in2的空間,其工作在固定頻率PWM模式下,還可以實現外部同步。EL7554還提供了軟啟動和啟動控制,消除了浪涌電流,可以使用戶方便地使用不同配置對多路轉換器的啟動進行控制。主要應用于端點電源、DSP和CPU內核及IO電源、邏輯電源,以及各種不同類型的便攜式設備中。

  LDO

  低功耗LDO ISL9003A具有出色的電源抑制率,可以實現高穩定性,低噪聲, 低靜態電流與紋波抑制和高集成度設計,特別適于便攜式產品或者手機等應用,其靜態電流為30μA,關斷電流關斷電流是0.5Μa,連續輸出電流為150mA,可以對大電流階越做出快速的瞬態響應,具有出色的負載調節能力,在PDA、手機和智能電話便攜式儀器儀表、MP3播放器手持式器件,包括手持式醫療器件中應用可大大提高產品性能。

  ISL9011和ISL9012是高性能雙路LDOs,通道1可提供150mA的電流,通道2可提供300mA的電流。這些器件有很低的維持電流且比較穩定,輸出電容為1µF到10µF,ESR達到200mOhms。在低紋波,高PSRR應用中,基準旁路腳允許接一個外部電容以調節噪聲濾波器。

  低噪聲LDO ICL7663S可達到1%的輸出精度,并且可通過溫度系數來調節輸出精度,達到更好的性能,同時只有10uA的靜態電流,內部過流過溫保護電路,很適合應用于高精度的產品場合,比如一些手持設備,尋呼機,電池管理系統,LCD顯示模塊的等應用中。

  低功耗應用

  在低功耗應用中,設計者需考慮的不僅僅是省電,同時包括降低散熱成本,減小輻射干擾和熱噪聲干擾,增加產品使用壽命等等。而低功耗設計中電源的低功耗設計是最尤為重要的,它幾乎決定了整個產品低功耗設計的成敗。因此,在我們選擇電源管理中的工作模式同時,也要考慮不同方案中芯片的性能,比如輸入輸出電壓,輸出功率,體積,轉換效率等,還包括保護功能,熱阻,信噪比,紋波,工作頻率,外部電路等等。

  Intersil在低功耗領域推出了很多的產品,基本上大部分產品可以應用于低功耗設計中,隨著項目需求不一樣,用戶可以在眾多的產品中選擇最合適的型號,比如低功耗LDO ISL90XX系列,靜態電流10uA,關斷電流<0.1Ua;低功耗運放產品EL2125,SL28288,極低電壓和電流噪聲,220uV的反偏電壓,10mA的工作電流,Vos在10uV之內,最高帶寬17MHz;低功耗電壓基準ISL60002,可以提供±1mV精度的電壓基準,而其工作電流達到350nA,溫度系數也只有20ppm/°C ,非常適合于高精度AD/D/A轉換,PDA,精密醫療儀器等應用;其他低功耗產品如數字電位器ISL22316,ISL22323,X95820等,也廣泛應用于低功耗設計中。

 

  下面介紹一個以Microchip MCU與Intersil的模擬器件為主的血氧儀的低功耗設計方案。

  血氧儀用來測量血氧飽和度的電子設備,血氧飽和度是血液中被氧結合的氧合血經蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比,即血液中血氧的濃度,它是用于表征呼吸循環的重要生理參數,正常人體動脈血氧飽和度為98%。本方案采用光電傳感器測量,利用人體的血紅蛋白對660nm的紅光和940nm的近紅外光的吸收率不一樣,測定通過手指(或耳垂等)光傳導強度,再通過軟件計算并得出血氧飽和度。

  整個系統如圖1所示,紅光及紅外光經過手指或耳垂,由光電池感應出電流,經ISL28413進行I/V轉換放大,再送入MCP3425進行AD轉換,MCU根據紅光及紅外光的AD轉換結果計算得到血氧飽和度,并可順便計算出脈膊,同由LCD顯示出來。圖2為I/V轉換及信號放大的電路,光電池是電流型器件,這就需要將電流變化量轉換成為電壓變化量,以方便采集。

系統框圖

圖1  系統框圖

 I/V轉換及放大

圖2  I/V轉換及放大

  由于放電池感應的電流信號微弱,這就要求I/V轉換的運放必須具備非常低的輸入失調電流,ISL28413以其10pA的偏置電流、最低1.8V的工作電壓、高性價比等特性使其非常適合電池供電系統。圖中電位器選用Intersil的雙256抽頭的X95820,此路用于調節運放的增益,另一路用于后面的濾波電路。考慮到系統分辨率,這里選用一顆Microchip的16位Delta-Sigma的AD轉換器。作為AD轉換器的基準,ISL60002以業界最低工作電流350nA、20ppm/℃的溫漂成為此系統的必備之選。整體模擬電路由一顆帶EN功能的LDO供電,待機時模擬部分的電路被完全切斷,這里選用一顆ISL9003A,提供高達93dB電源抑制比的同時具有非常低的輸出噪聲。

  單片機采用Microchip剛推出的帶有LCD驅動的PIC16F193x系列,它采用了最新的nanoWatt XLP技術,1.8V時典型待機電流僅為60nA。它在PIC16F91x基礎上增加了14條指令,程序空間也增加到16K,別外還增加了2個帶CCP功能的定時器、16通道的電容性觸摸感應模塊和一個5位分辨率的DAC。

  結語

  低功耗設計不僅僅看LDO  DC/DC能提供輸出的電壓,電流和功率,還要考慮到器件的溫升,開關頻率,轉換效率,等一些隱性參數,在滿足負載功耗的同時,也要考慮到余量設計,芯片的保護功能也是設計者需要考慮的問題,通常內部過流,過壓,過溫保護可以減少外部電路和降低功耗,使產品達到更好的性能。INTERSIL的電源管理器件,通過不同的檔次來滿足設計者的不同需求,讓設計者在達到上述設計要求的同時,可以選擇更合理的價格的產品。

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