Regolatori a commutazione SIMO per le applicazioni portatili

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I consumatori si aspettano che l'autonomia della batteria per auricolari, indossabili e altri dispositivi elettronici ultra-piccoli sia elevata nonostante il loro minuscolo fattore di forma. Eppure, chiaramente, le dimensioni del dispositivo limitano la capacità della batteria. Questo articolo discute su come recuperare un pò di spazio utilizzando un regolatore a commutazione basato sull'architettura a singolo-induttore e multiple-uscite (SIMO) del convertitore di potenza. L'architettura SIMO, insieme alla bassa corrente di quiescenza del regolatore, consente all'IC di prolungare la durata della batteria per prodotti elettronici con vincoli di spazio.

Introduzione

Gli utilizzatori di auricolari, dispositivi indossabili o altri minuscoli dispositivi alimentati a batteria si aspettano che questi dispositivi elettronici siano affidabili su lunghi periodi di tempo. Dal punto di vista del design, queste aspettative sono un compito arduo da soddisfare. I vincoli derivanti dal fattore di forma dettano la necessità per una piccola batteria Li+ (ioni di litio), che deve durare a lungo tra i cicli di carica ed essere usata con parsimonia. Gli alimentatori, a loro volta, devono soddisfare i diversi e distinti requisiti di tensione dei sottosistemi all'interno del design. L'architettura SIMO (singolo-induttore multiple-uscite) fornisce una soluzione ottimale per questi sistemi, integrando funzionalità che altrimenti richiederebbero più componenti discreti. Questo articolo intende offrire una descrizione più profonda della tecnologia SIMO e del suo funzionamento. Inoltre, verranno presentati alcuni circuiti integrati per la gestione dell'alimentazione (PMIC) dotati del regolatore SIMO che riduce la dissipazione di potenza e il numero complessivo dei componenti, ma fornendo le stesse funzionalità delle soluzioni tradizionali in meno della metà dello spazio. Diamo un'occhiata più da vicino a che cos'è un'architettura SIMO ed a come funziona per i regolatori buck-boost.

Architettura SIMO

In una tradizionale topologia di regolatori a commutazione multipli, ogni regolatore a commutazione necessita di un induttore separato (Figura 1).

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Figura 1: Topologia di un tradizionale regolatore a commutazione

Gli induttori sono fisicamente grandi e costosi, e questo è uno svantaggio per i prodotti aventi un piccolo fattore di forma. L'altra opzione è utilizzare regolatori lineari, che sono veloci, compatti e a basso rumore, ma hanno una più elevata dissipazione di potenza. C'è anche l'alternativa ibrida di utilizzare più regolatori low-dropout (LDO), in combinazione con convertitori CC-CC. Tuttavia, mentre questa configurazione risulterebbe in una dissipazione di potenza e calore intermedia, produrrebbe comunque un design più grande rispetto all'utilizzo dei soli LDO. Il convertitore buck-boost SIMO (Figura 2) può regolare fino a tre tensioni di uscita su ampi intervalli di tensione utilizzando un singolo induttore. La topologia buck-boost aiuta ad utilizzare meglio l'induttore poiché esso richiede meno tempo per servire ciascun canale rispetto a una tipologia solo buck.

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Figura 2: Esempio di convertitore buck-boost SIMO

Il punto debole di una tipologia solo buck SIMO viene evidenziato quando una o più tensioni di uscita si avvicinano alla tensione di ingresso. Quando la tensione di uscita si avvicina alla tensione della batteria, la tipologia solo buck SIMO richiederà l'utilizzo dell'induttore per troppo tempo, impattando negativamente sugli altri canali. A volte, la presenza di un induttore nel sistema non può essere evitata. Anche se piccolo, un LDO non può mai, da solo, fornire una funzione boost. Poiché l'architettura SIMO richiede solo un induttore, le soluzioni che richiedono almeno un boost di tensione sono quasi sempre migliori con un buck-boost SIMO. La corrente di saturazione dell'induttore (Isat), una misura della corrente elettrica quando l'induttanza scende al 70% del suo valore, è determinata dalla dimensione del nucleo dell'induttore per un dato materiale del nucleo. L'utilizzo di un solo induttore in un'architettura SIMO offre diversi vantaggi rispetto all'utilizzo di convertitori CC-CC separati:

    • Quando consentito dal sistema, si può meglio utilizzare la dimensione Z
    • Si risparmia sui costi e sull'ingombro poiché non è necessario utilizzare molti induttori rispetto alla soluzione tradizionale
    • Multiplexing nel tempo, visto che spesso le diverse funzionalità non vengono utilizzate contemporaneamente. Questo vantaggio si manifesta quando la corrente totale fornita è minore della somma delle richieste di uscita individuali. Per esempio, si potrebbero avere degli eventi che avvengono in sequenza utilizzando diverse linee di tensione. Pertanto, l'Isat totale richiesta per l'induttore nell'architettura SIMO è inferiore a quella che sarebbe richiesta nel caso di convertitori separati
    • RMS (valutazione di corrente per induttori), anche se i canali non sono multiplexati nel tempo, il picco del consumo di potenza delle funzionalità spesso non avviene contemporaneamente, il che può anche abbassare i requisiti della Isat totale dell'induttore

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