升降壓電源設計 – 穿戴式 IoT 裝置的可行拓撲

編者說明：設計穿戴式物聯網 (IoT) 產品時必須做出對立的選擇，因此凸顯了對於可靠穩定電力系統設計的需求。此設計的特定考量事項包括了下列穿戴式產品特點：輕巧的產品實體尺寸、產品對於無線通訊的相依性、對於高效率電池電源管理的需求，以及法規遵循方面的挑戰。本文將探討以升降壓切換式穩壓器為基礎的電源系統設計，可如何處理並滿足這些設計挑戰。為了證實這一點，文中將探索有關市售元件的運作規格。包括 LTE 蜂巢收發器模組的功率要求、升降壓切換式穩壓器的效能指標，以及鉭電容的降額、ESR 和電容量等所有內容。文末結論部分將透過電源系統拓撲和使用案例，示範符合穿戴式 IoT 產品需求的升降壓穩壓器實證效能。

介紹

蜂巢收發器的效能取決於電軌的可靠性和穩定性。必須做出設計選擇，以確保提供足夠的功率餘裕、適當的接地面尺寸，以及經過充分減少的漣波。穿戴式產品係將多種設計壓縮於本體，其採用電池供電且受法規標準所規範，因而使得這些選擇更形複雜。

本文將探討穿戴式 IoT 裝置內部面臨到的一些電源設計挑戰，並提出設計拓撲建議，運用市售元件處理這些挑戰。本文將全方位討論關鍵設計取捨，並提供建議的緩解策略。本文的最終目標是提供強大的電源設計拓撲，為設計人員提供高效率的解決方案，以在穿戴式 IoT 裝置的重重限制下順暢運作。

定義挑戰：可靠性與穩定性

基於本文的宗旨，文中將可靠性定義為電源系統在無線電收發器 (在此案例中意指蜂巢收發器) 運作範圍內提供電壓軌的能力。此能力還必須包括可滿足 IoT 產品預期的一般與峰值電流消耗量的流出電流。

文中將穩定性定義為裝置規格內的電壓軌呈現的漣波。此漣波的產生原因，可能在於穩壓器的切換特性，或是電流需求突然跳動所產生的暫態響應。無論原因為何，穩壓器的回應能力皆是決定其穩定性的基礎。

蜂巢收發器的電源

無疑地，蜂巢收發器模組已針對各類元件廣泛支援無線連線，其普及程度前所未有。這些元件日益朝向整合化發展，甚至包括整合板載電源穩壓器、溫度補償振盪器，以及精密的輔助處理器。然而，這些所有元件仍取決於主要電源參數，亦即可靠性和穩定性。

本文稍後將提供下列產品範例以凸顯此點。即使這些所有產品皆為市售，且皆適合做為穿戴式 IoT 產品的基礎，但電源考量仍是不可或缺的關鍵。換言之，若未對其正確供電，則這些所有元件皆無法執行峰值效能與能力。

u-blox

表 1 提供適用於 MPCI-L201-02S-00 蜂巢模組的電源參數高階檢視。

表 1：u-blox 電源參數。

根據技術文件，u-blox 對於為此模組供電設有相當嚴格的要求。

連接至 VCC 或 3.3 Vaux 引腳的切換式穩壓器特性應符合下列要件，以遵循模組 VCC 或 3.3 Vaux 要求：

• 電源能力：切換式穩壓器及其輸出電路必須能夠在指定的工作範圍內，向 VCC 或 3.3 Vaux 引腳提供電壓值，且能以 TOBY-L2 或 MPCI-L2 系列規格書中指定的最大傳輸 (Tx) 功率，於傳輸突衝期間提供最大峰值／脈衝電流消耗量。
• 低輸出漣波：切換式穩壓器及其輸出電路必須能夠提供乾淨 (低雜訊) VCC 或 3.3 Vaux 電壓分佈。
• 壓降不可超過 400 mV。

在這些要求範圍內，會注重可靠性與穩定性這兩個關鍵層面。不僅電軌必須位於適當的電壓範圍，漣波亦必須減至最低。有趣的是，「漣波」在本要求規格中分為兩種不同的類型：切換式漣波與壓降。首先考量到的是高頻率漣波，其與穩壓器的切換有關。第二個考量到的是低頻率漣波，其可能是由於電源無法快速回應較高電流負載而產生。這可能與穩壓器的效能有關；不過也可能是由於電力路徑當中的電阻值或電感值過高所導致。

在蜂巢開發套件設計中使用一個穩壓器可能即已足夠，但插電式開發套件設計可能不適用於以電池供電的穿戴式應用。此外，穿戴式產品必須縮減設計的實體尺寸，亦可能會影響電力路徑中的寄生電阻和電感。這種複雜性無法單靠選擇適當的穩壓器來解決，而是需要採取額外的緩解措施，特別是在這些寄生特性威脅到產品的法規遵循時。

Digi

表 2 提供適用於 XBC-V1-UT-001 蜂巢模組的電源參數高階檢視。

表 2：Digi 電源參數。

根據技術文件，Digi 對於為此模組供電設有相當嚴格的要求，如下所示：

• 電源供應器漣波應小於 75 mV 峰對峰電壓。
• 電源供應器應可在 3.3 V 電壓下提供最小 1.5 A 電流 (5 W)。請謹記，在低電壓下運作需要電源供應器提供更高的電流能力，以達到 5 W 的要求。
• 在 XBee VCC 引腳上設置充足的大電容，以讓電壓在湧入電流運作期間維持超過最低規格。初次啟動蜂巢通訊電源以及從休眠模式喚醒時，湧入電流約為 2 A。
• 將小型高頻率陶瓷電容放在盡可能靠近 XBee 蜂巢式數據機 VCC 引腳的位置，以減少高頻雜訊。
• 使用寬廣的電源供應器走線或電源層，確保電源供應器能以最小壓降來處理峰值電流要求。Colorado Electronic Product Design 建議依上述方式設計電源供應器和走線，如此一來 XBee VCC 引腳在輕負載 (約 0.5 W) 與重負載 (約 3 W) 間的電壓變異量不會超過 0.1 V。

同樣地，對於其他蜂巢模組而言，電軌的穩定性與可靠性亦為關鍵考量。不過，這些指令會更具體地要求達到最大漣波電壓、預期湧入電流，並為電路板佈局提供一些協助提示。

升降壓電源拓撲 – 適用於電池供電 IoT 穿戴式裝置的穩定可靠解決方案

前文已敘述所面臨的挑戰。設計符合以下要求的電源系統：

• 提供所選模組工作範圍內的電軌。
• 提供充足的電流，以因應模組的平均電流與峰值電流需求。
• 符合所有前述要求而不超過漣波電壓最大值，且不允許電軌產生過多的壓降。
• 在受限於穿戴式應用的適當實體空間下達成上述所有要求，並盡力符合與此產品使用案例相關的法規標準。

如前所述，蜂巢模組對於其電源系統設有嚴格要求。您可在有限的實體空間下達成這些所有要求；不過必須運用更高階層的考量事項，方可使產品獲致成功。「圖 1」拓撲擷取了建議的做法。

圖 1：高階升降壓切換式穩壓器示意圖。(圖片來源：Colorado Electronic Product Design)

此拓撲的效能表現優於某些常見的設計替代方案，我們在後面亦會討論這些替代方案。接下來將探討此建議拓撲的每個層面、其各自面臨的設計挑戰，以及如何緩解這些變化。

電池與電池組電阻

電池組的內部電阻會高於電池本體的電阻。這是由於穿戴式應用電池組所採用的保護電路、互連線路、保險絲和其他項目使然。表 3 顯示在行動電話中使用之一般小型鋰聚合物電池組的明細資料，此型號亦適用於穿戴式 IoT 裝置。

表 3：電池組電阻 (以分項列出)。(圖片來源： Battery University Group)

1) 將蜂巢模組直接連接至電池

在一般電流消耗量下，此電阻不會產生顯著的壓降；然而當處於峰值負載時，電池電壓可能會下降 0.13 V 至 0.33 V (電壓值取決於所示蜂巢模組的最小與最高消耗電流)。雖然此壓降不會將電軌降至低於模組的最低工作值，但其會產生超出這些蜂巢模組規格的壓降和漣波。而效能將會受到影響，因此不建議直接透過電池為模組供電。

2) 使用更大電容量

另一種嘗試克服此壓降的做法，即是新增更大的局部電容量。不過，此電容量必須在整個電流消耗持續期間以及產品的整個工作溫度範圍供應足夠的電流。此做法本身對於被動元件而言是難以達成的嚴苛要求。

當考量到必要的大量電容量時，此做法會更加複雜。依據電容的電流方程式，

方程式 1

您可解析此方程式來計算指定電壓、電流和持續時間的必要電容量，

方程式 2

使用 u-blox 零件當作參考，您可發現高電流脈衝可能會處於主動狀態長達 0.6 ms (4.615 ms / 8)。

圖 2：u-blox 電流消耗分佈示意圖。(圖片來源：u-blox)

那麼，我們需要多少電容量供應長達 0.6 ms 的 2 A 電流，方可解決 0.26 V 壓降的問題呢？使用上述方程式得出的計算值為 4.62 mF (4.62 X 10-3 F)。最大陶瓷電容由於通常具有較低的等效串聯電阻 (ESR)，因此可能是最佳選擇，其約為 680 μF，且通常不為表面黏著元件。其中數個電容必須採並聯放置，且必須考量電壓降額、溫度變異和容差等所有因素。此外還有大型鉭質電容，但若採用這些電容，則 ESR 會限制可供應的電流量。再次強調，其中有數個電容必須採並聯放置，以因應不需要的元件寄生屬性。

必須採用數個電容的做法，會在本已受限的穿戴式產品中耗用寶貴的電路板空間，且會大幅增加物料清單成本。此外，每當電池或電力路徑中的任何內容發生變化時，就必須重新設計電容量。這些限制使得電容式解決方案在解決此設計考量時會產生諸多問題。

升降壓切換式穩壓器

這種穩壓器是此電源設計拓撲的核心。本節將呈現說明兩種市售的升降壓穩壓器。每種穩壓器皆適合穿戴式 IoT 應用。不過在深入探討這些特定元件前，可參考下述幾項要點來協助說明對於此類穩壓器的需求。

1) 單靠降壓穩壓器還不夠

談到這裡，我們已瞭解到直接將蜂巢模組連接至電池並不是一項良好的設計選擇。不過，本節將進一步指明雖然採用降壓穩壓器是較直接連接電池更為理想的做法，但其仍非適合大多數穿戴式 IoT 使用案例的良好設計選擇。升壓仍是必要做法，原因說明如下。

圖 3：放電電流為 0.2 C、0.5 C 和 1 C 時的鋰離子電池 (3.7 V 標稱) 放電曲線 (圖片來源： Innovative Battery Technology)

當電池的剩餘充電量為 20% 時，電池電壓可能會處於 2.8 V 至 3.7 V 的範圍。此時，欠壓保護電路可能會在電壓低於 3.0 V 時中斷連接電池。根據此點，將剩餘蓄電量為 20% 之電池的「有效」電壓範圍假定為 3.7 V 至 3.0 V。若將此資訊與降壓穩壓器要求輸入電壓大於或等於輸出電壓的事實結合來看，即會開始凸顯出設計難題。

若將 VOUT 設為 3.3 V 且使用降壓穩壓器，則最低可用電池電壓將為當蜂巢模組取得峰值電流時，電池可維持的值 (只要此值為 3.3 V 或更大值)。

數學上的效率計算式如下，

方程式 3

重新安排此方程式，

方程式 4

假定降壓穩壓器的效率為 90%，且在其中設計 u-blox 模組，則其必須提供 3.3 V * 2.5 A = 8.25 W。這表示輸入功率必須為 8.25 W / 0.9 = 9.2 W。

套用方程式，

方程式 5

您可發現到，當電池的額定值為 3.7 V 時，輸入電壓必須供應 2.49 A。不過，此為向穩壓器供應的電流，其必須先通過電池組的串聯電阻。因此，實際電池電壓必須為穩壓器輸入電壓以及全體電池組串聯電流壓降的總和：3.7 V + (2.49 A * 0.13 Ω) = 4.02 V。因此，針對電池組串聯電組解析得出 0.32-V 壓降值。

這表示此電池可具備的最低可用值為 3.3 V + VSeries_Resistance = ~3.62 V。若電池組電壓低於此值，則降壓穩壓器的輸入電壓不再大於或等於輸出電壓，因而會導致穩壓失敗。此穩壓失敗會導致蜂巢模組電軌發生壓降，亦會違反漣波電壓與壓降要求。效能可能會受到影響。

2) 其他考量事項

簡言之，升降壓穩壓器的升壓部分，可讓系統存取最後所剩的 20% 電池組蓄電量。只要電池能夠維持穩壓器功率，即可運用升降壓來支撐模組電軌，且不會在電池仍剩餘充電量時提早停止運作。

值得注意的是，若使用升降壓穩壓器，則最後 20% 電池充電量的耗用速度會快於前 80% 的電池充電量。這是因為一旦輸入電壓低於輸出電壓設定點，即必須增加輸入電流。不過在選擇電池組的最大放電電流時，應可解決此電流增加的問題。

3) 產品範例 – Renesas ISL91110

下列圖表顯示此零件的功能。此零件具備輕負載與重負載操作自動切換功能。此零件可有效提升輸出電流的全工作範圍運作效率。

圖 4：Renesas ISL91110 的效率與 V_IN。(圖片來源：Renesas)

圖 5：Renesas ISL91110 的 0 A 至 2 A 負載暫態 (V_IN = 3.6 V, V_OUT = 3.3 V)。(圖片來源：Renesas)

4) 產品範例 – ON Semiconductor FAN49103

此零件亦具備輕負載與重負載操作自動切換功能。雖然此參數適用於 3.4 V 的設定輸出電壓 (相對於 3.3 V)，此零件仍適用於範例應用。

圖 6：ON Semiconductor FAN49103 的效率與 I Load (mA)。(圖片來源：ON Semiconductor)

圖 7：ON Semiconductor FAN49103 的 0 A 至 2 A 負載暫態 (V_IN = 3.6 V, V_OUT = 3.4 V)。(圖片來源：ON Semiconductor)

局部電容

局部電容負責運作兩項重要功能：供應局部能量儲存以滿足突增的負載電流，以及過濾可能會對效能帶來負面影響的高頻率暫態和漣波電壓。

在設計佈局內部採用建議的電容設置方式至關緊要。您應採用建議的方式來設置電容，方可使用最乾淨的電壓軌來為蜂巢模組供電。這表示緊靠著蜂巢模組一旁的電容必須具有最低 ESR 和 ESL。實際上，這些電容的實際電容量額定值可能會落在微微法拉範圍。建議採用 C0G 陶瓷電容。

現在雖然這些小型電容可妥善實現高頻率濾波，但幾乎沒有能量儲存。針對此目標，我們會將數百微法拉範圍中的大型鉭質電容，放置在離蜂巢模組電源供應器引腳盡可能遠的位置。這不表示其相距遙遠；其放置位置只是不如前述陶瓷電容般靠近。此外，此大型電容的重要特性，即是其 ESR 在處於預期電流暫態基礎頻率時偏低。建議的 ESR 值為 100 mΩ / 100 KHz。

圖 8 顯示 MPCI u-blox 蜂巢模組的建議佈局。

圖 8：為 u-blox MPCI-L2 系列建議的局部電容佈局方案。(圖片來源：u-blox)

在圖 8 中，C1 至 C3 為低值、低 ESR、低 ESL、C0G 電容。C4 至 C5 為處於 0.1 至 10 μF 範圍的陶瓷電容。最後的 C6 為大型鉭質電容，其 ESR 在處於暫態負載電流基礎頻率時偏低。

極為重要的是，必須選擇電壓額定值以緩解降額。對於陶瓷電容而言尤其如此。

本節將總結說明數種市售電容。提供適用的參數。

1) KEMET

零件編號：T520D337M006ATE045

電容量：330 μF

容差：20%

電壓額定值：6.3 V

ESR @ 100 KHz：45 mΩ

2) Panasonic Electronic Components

零件編號：6TPF470MAH

電容量：470 μF

容差：20%

電壓額定值：6.3 V

ESR @ 100 KHz：10 mΩ

佈局設計考量事項

雖然所有選擇的元件在其規格書中皆列有特定佈局建議，仍有一些通用佈局準則可協助實現高效率且低雜訊的效能。

1) 接地與電源覆銅

盡可能採用多邊形覆銅。對於連接輸入電壓、輸出電壓、電感和接地節點而言尤其如此。簡言之即是，不讓銅層閒置，因為這些銅層為電流流向（包括所有雜散或切換式電流）提供低電阻和低電感值路徑。圖 9 為建議針對 Linear Technology 之 LTC3113 升降壓穩壓器採用的頂層佈局方式，其詳盡展示了覆銅的偏好。

圖 9：Linear Tech LTC3113 的建議頂層佈局。(圖片來源：Linear Technology)

2) 緩衝器

雖然已善盡一切努力降低寄生電阻和電感，但我們面對的是尺寸有限的穿戴式設計。接地與電源層無法達到應有的尺寸。此佈局方式的布建應可放置 RC 緩衝器電路。雖然起初無須組裝這些元件，但由於需要此電路來降低排放，因此設計人員仍可透過配置覆蓋區獲益。

這些寄生元件會在切換電流內部產生振鈴 (圖 10)。

圖 10：降壓穩壓器切換式電感電流內部振鈴。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

現在就如先前所述，由於必須符合空間要求，因此這可能是無法避免的問題。圖 11 的緩衝器電路會將這些雜散能量吸至接地。若未執行此動作，這些振盪可能會使設計的排放量超過法規遵循的容許限值。對於讓空間受限的穩壓器安靜運作而言，緩衝器電路是一項實用工具。

圖 11：降壓穩壓器建議的 RC 緩衝器位置。(圖片來源：ROHM Semiconductor)

3) 鐵氧體磁珠

最後一項建議是處理隨著輸出功率產生的所有持續性高頻率雜訊。選擇當處於關鍵頻率時具有適當衰減的高電流鐵氧體磁珠，並將其與升降壓穩壓器的輸出串聯配置。其放置位置應介於穩壓器的輸出與大容量旁路電容之間。

個案研究 – LTC3113 為 u-blox SARA 模組供電

SARA 模組是一款 3G 蜂巢收發器。正如前述的蜂巢模組，其亦會遽然消耗大電流，導致電池電壓由於串聯電阻而驟降。我們已使用圖 12 適合 LTC3113 升降壓切換式穩壓器的電路設計，讓此設計維持穩定可靠的 3.3 V 電軌運作。

圖 12：LTC3113 升降壓切換式穩壓器電路個案研究。(圖片來源：Colorado Electronic Product Design)

此穩壓器設計結合按圖 12 所示配置的局部旁路電容，針對所有消耗的工作電流提供穩定電軌。圖 13 的範圍圖擷取了 SARA (藍色) 的消耗電流、來自升降壓穩壓器的 3.3 V 輸出電軌 (綠色)、輸入電池電壓與此電軌上的所有驟降 (紫色)，以及輸出電軌上測量的漣波電壓 (橘色)。

您可發現，此大電流尖波不會在 3.3 V 穩壓輸出電軌上造成驟降或顯著漣波。不過，其會導致輸入電軌發生驟降。

圖 13：LTC3113 升降壓切換式穩壓器電路個案研究，其中包含 SARA 模組消耗的約 0.9 A 模組電流 (藍色)、3.3 V 輸出電軌 (綠色)、電池輸入電軌 (紫色) 和 3.3 V 輸出電軌漣波 (橘色)。(圖片來源：Colorado Electronic Product Design)

再次說明，輸出電軌處於固定 3.3 V 時的穩定性和可靠性會維持一致，且具有最小漣波。不過，電池輸入電軌會產生超出 SARA 模組規格，以及本文所述其他模組規格的約 0.32 V 驟降。升降壓穩壓器可因應這些電流尖波，並讓電軌在所有預期條件下維持適合蜂巢模組的運作。

結論

穿戴式 IoT 設計為設計人員帶來各式各樣的挑戰，而電源系統彙集了其中的眾多挑戰。升降壓穩壓器拓撲可在模組的工作條件範圍下提供穩定可靠的電軌，以正面因應這些挑戰。這並不表示設計工作無須謹慎細心。相反地，這表示我們必須遵循良好設計實務，方可讓此拓撲發揮功用。隨著穿戴式 IoT 設計外型日趨輕巧，對效能的期望也日益增加。考慮選用此強大拓撲，以協助實現輕巧、高效能的穿戴式 IoT 設計。

致謝資訊：特別感謝 Linear Tech/Analog Devices 和 CEPD (Colorado Electronic Product Design) 人員提供協助。