【解決方案】用nanoPower升壓轉換器讓IoT設備更耐用| 安馳科技股份有限公司 Macnica Anstek Inc.

摘要

小型的、無線連接的、電池操作的電子設備需要大幅減少功率損失邊界（效率）和關閉（漏電流）的功率。MAX17222 nanoPower同步降壓轉換器提供了超低靜態電流和高效率，使設計師有手段增加IoT設備的使用壽命和待機壽命。

介紹

升壓轉換器被廣泛地應用在消費電子產品中，用於提高和穩定鋰離子電池的下降電壓。新興的消費市場是物聯網（IoT），這是一個基於“雲”的無線連接設備網絡，經常包括音訊、影音、智能家居和可穿戴應用。物聯網趨勢結合綠色能源（減少浪費的能源，轉向可再生能源）的推動，要求小型設備在消耗極少的能量的情況下，自主運行長時間。在本文中，我們介紹了一個典型的IoT功率管理解決方案，適用於小型便攜式設備，同時檢討其缺點。然後，我們介紹了一個nanoPower升壓轉換器，克服了這些缺點，能夠在殘留電池能量極少的情況下“勉強運行”。

圖 1. 物聯網示意圖。

典型的可穿戴電源解決方案

可穿戴式心率監測貼片（圖 2）通常非常小，必須長時間使用，因此尺寸和功耗最小化至關重要。

這樣一個裝置，由 100mAh 鹼性按鈕電池供電，在操作時消耗 100µA，可以持續 3 個星期。另一方面，在關機模式下，設備可能需要長達 3 年的使用壽命，需要漏電流小於 4µA。典型的電壓穩壓器，漏電流為 0.2µA，總靜態電流為 10µA，會從設備的使用壽命中搶走 1.8 個月和兩天的操作時間。

圖2. 病人戴著心率監測器。

高效率和小尺寸是具有挑戰性的要求。增加操作頻率會減小被動元件的尺寸，但增加損失，從而降低效率。便攜式物聯網設備的普及需要多個定制版本的電壓調節器，尤其是關於輸出電壓和電流規格。因此，物聯網設備製造商可能被迫維護一個大型且昂貴的庫存，其中包括不同的調節器和支援它們所需的被動元件。

最先進的解決方案

理想的解決方案是一種可以解決這些缺點的電壓調節器。MAX17222 nanoPower同步升壓轉換器就是這樣一種設備。MAX17222提供400mV到5.5V的輸入範圍，0.5A的峰值電感電流限制以及一個可通過單個標準1％電阻選擇的輸出電壓。

一種新穎的真正關機模式可以實現納安級的漏電電流，使其成為真正的nanoPower設備！

真正的關斷電流優勢

圖3說明了MAX17222的基本元件與關機和靜態電流有關的情況。

圖3. MAX17222的關機和靜態電流。

True Shutdown功能可以將輸出從輸入中斷，並不產生正向或反向電流，從而實現非常低的漏電流。如果你還記得，我們計算出典型解決方案的使用壽命減少了3年中的1.8個月，對於一個100mAh電池而言。而有了0.5nA的漏電流，對於同一個電池在3年內的使用壽命減少僅為3個小時！

如果使用上拉電阻進行啟用/停用操作，True Shutdown模式下的上拉電流也必須納入計算。相反，如果啟用（EN）引腳由由一個由不同電源驅動的推挽外部驅動器驅動，則沒有上拉電流，關機電流僅為0.5nA。

靜態電流優勢

參考圖3，MAX17222的輸入靜態電流（IQINT）為0.5nA（啟動後開啟），輸出靜態電流（IQOUT）為300nA。為計算總輸入靜態電流，必須將額外的輸入電流（I>QOUT_IN）加到IQINT中，以餵養輸出電流。由於輸出功率與輸入功率之比由效率（POUT = PIN×?）決定，因此：

IQOUT_IN = IQOUT × (VOUT/VIN)/η

若VIN=1.5V，VOUT=3V，效率η=85%，我們可以得到：

IQOUT_IN = 300nA × (3/1.5)/0.85 = 705.88nA

將705.88納安加到0.5納安的輸入電流中，總輸入靜態電流為706.38納安（IQINGT）。此計算比先前討論的典型情況好14倍。使用0.7微安的靜態電流，計算出典型解決方案的兩天降低操作時間僅為3.5小時！

啟用瞬態保護模式

MAX17222有一個啟用瞬態保護（ETP）模式的選項。當存在上拉電阻時，由輸出電容驅動的額外晶片電路可確保輸入端短暫的瞬態干擾下EN保持高電平。在這種情況下，上面計算出的靜態電流會增加幾十納安的大小。

RSEL 優勢

MAX17222 與傳統用來設定輸出電壓值的電阻分壓器不同，而是使用單一的輸出選擇電阻 (RSEL)，如圖3所示。啟動時，晶片使用高達 200 µA 的電流來讀取 RSEL 的值。這只在選擇電阻偵測時間 (通常為 600 µs) 內發生，幾乎不會對靜態電流貢獻。單一標準 1% 電阻可以設置 33 種不同的輸出電壓，介於 1.8V 到 5V 之間，每次增加 100mV。這結果是 BOM 成本的微小降低 (減少一個電阻)，並且降低了靜態電流。