Progettazione di alimentazione buck/boost: una topologia possibile per dispositivi indossabili IoT

Nota del redattore: le scelte antitetiche richieste dalla progettazione di un prodotto indossabili per Internet delle cose (IoT) sottolineano la necessità di un sistema di alimentazione affidabile e stabile. Le considerazioni specifiche per questo progetto includono le caratteristiche seguenti di un prodotto indossabile: le dimensioni fisiche compatte del prodotto, la sua dipendenza dalle comunicazioni wireless, la necessità di una gestione efficiente della batteria e la conformità alle normative. Questo articolo parla di come il progetto di un sistema di alimentazione basato su un regolatore a commutazione buck/boost possa affrontare e soddisfare queste sfide progettuali. A tale fine, sono esaminate le specifiche operative di vari componenti disponibili in commercio. Sono forniti i requisiti di potenza per i moduli transceiver cellulari LTE, i parametri prestazionali dei regolatori di commutazione buck/boost, il declassamento, il livello di ESR e la capacità dei condensatori al tantalio. Per concludere, questo articolo fornisce una topologia di sistema di alimentazione e un esempio d'uso per dimostrare le prestazioni empiriche di un regolatore buck/boost nel soddisfare le esigenze di un prodotto indossabile IoT.

Introduzione

Le prestazioni dei transceiver cellulari dipendono dall'affidabilità e dalla stabilità dei rail di fornitura dell'energia elettrica. Le scelte progettuali devono garantire un adeguato margine di potenza, dimensioni adeguate del piano di massa e un ripple ridotto a un livello sufficiente. Queste scelte sono più complicate se i progetti sono compressi in un prodotto indossabile, anch'esso alimentato a batteria e sottoposto alle normative regolamentari.

Questo articolo affronta alcune delle sfide progettuali dell'alimentazione specifiche per i dispositivi indossabili IoT e propone una topologia che le affronta utilizzando componenti disponibili in commercio. Nel corso della trattazione saranno discussi i compromessi critici di progettazione e saranno forniti i metodi di mitigazione consigliati. Questo articolo punta a presentare una robusta topologia di progettazione dell'alimentazione, che fornisca al progettista una soluzione efficiente operante entro i vincoli di un dispositivo indossabile IoT.

Definire la sfida: affidabilità e stabilità

Ai fini di questo articolo, l'affidabilità è definita come la capacità del sistema di alimentazione di fornire un rail di tensione entro l'intervallo di funzionamento del transceiver radio - in questo caso, un transceiver cellulare. Questa capacità deve includere anche una sorgente di corrente che soddisfi sia la corrente tipica sia i picchi di corrente previsti nel prodotto IoT.

La stabilità è definita come il ripple presente sul rail di tensione entro le specifiche del dispositivo. Questo ripple può essere dovuto alle caratteristiche di commutazione del regolatore o alla risposta transitoria a un improvviso picco della domanda di corrente. A prescindere dalla causa, la capacità di risposta del regolatore è la base per determinare la sua stabilità.

La potenza dei transceiver cellulari

Indubbiamente, i moduli transceiver cellulari hanno portato la connettività wireless per dispositivi grandi e piccoli a un livello di adozione senza precedenti. Questi dispositivi sono diventati sempre più integrati, incorporando anche regolatori di potenza, oscillatori termostabilizzati e sofisticati co-processori. Tuttavia, tutti questi dispositivi continuano a dipendere dai principali parametri della potenza, ovvero l'affidabilità e la stabilità.

Gli esempi di prodotto seguenti sottolineano quest'ultimo punto. Anche se ognuno di questi prodotti è disponibile in commercio e sarebbe adatto come base per un prodotto indossabile IoT, le considerazioni sull'alimentazione valgono sempre. Per dirla in un altro modo, se non è alimentato correttamente, nessuno di questi dispositivi funzionerà al massimo delle sue prestazioni e capacità.

u-blox

La Tabella 1 fornisce una vista di alto livello dei parametri di potenza del modulo cellulare MPCI-L201-02S-00.

Tabella 1: Parametri di potenza u-blox

Dalla documentazione tecnica, u-blox ha alcuni requisiti piuttosto severi per l'alimentazione di questo modulo.

Le caratteristiche del regolatore di commutazione collegato ai pin VCC o 3,3 Vaux devono soddisfare i seguenti prerequisiti per soddisfare i requisiti VCC o 3,3 Vaux del modulo:

• Potenza: il regolatore a commutazione, con il suo circuito di uscita, deve essere in grado di fornire un valore di tensione ai pin VCC o 3,3 Vaux entro l'intervallo di funzionamento specificato e il massimo consumo di corrente di picco/impulso durante un burst di trasmissione (Tx) alla massima potenza Tx specificata nella scheda tecnica della serie TOBY-L2 o MPCI-L2.
• Basso ripple di uscita: il regolatore a commutazione, con il suo circuito di uscita, deve essere in grado di fornire un profilo di tensione VCC o 3,3 Vaux pulito (a basso rumore).
• La caduta di tensione non può superare i 400 mV.

All'interno di questi requisiti, si sottolineano due aspetti critici: l'affidabilità e la stabilità. Non solo il rail di alimentazione deve essere compreso all'interno dell'intervallo di tensione appropriato, ma anche il ripple deve essere ridotto al minimo. È interessante notare che, in questa specifica dei requisiti, il ripple è separato in due diversi tipi: ripple di commutazione e caduta di tensione. Il primo è un ripple ad alta frequenza legato alla commutazione del regolatore. Il secondo è il ripple a bassa frequenza probabilmente causato dall'incapacità della fonte di alimentazione di rispondere rapidamente a un carico di corrente più elevato. Ciò potrebbe essere dovuto alle prestazioni del regolatore, ma potrebbe anche derivare da un'eccessiva resistenza o induttanza lungo il percorso di potenza.

Probabilmente sarebbe sufficiente un regolatore utilizzato in un progetto con kit di sviluppo cellulare, ma un progetto con kit di sviluppo alimentato a parete non sarebbe adatto ad applicazioni indossabili alimentate a batteria. Inoltre, la riduzione dello spazio fisico del progetto, necessaria per i prodotti indossabili, potrebbe anche influenzare la resistenza parassita e l'induttanza nel percorso di potenza. La sola selezione del regolatore corretto potrebbe non risolvere questa complicanza, e richiedere ulteriori mitigazioni, soprattutto se queste caratteristiche parassite minacciano la conformità normativa del prodotto.

Digi

La Tabella 2 fornisce una vista di alto livello dei parametri di potenza del modulo cellulare XBC-V1-UT-001.

Tabella 2: Parametri di potenza Digi

Dalla documentazione tecnica, Digi ha alcuni requisiti piuttosto severi per l'alimentazione di questo modulo, come si può vedere di seguito:

• Il ripple dell'alimentazione dovrebbe essere inferiore a 75 mV picco-picco.
• L'alimentatore dovrebbe essere in grado di fornire un minimo di 1,5 A a 3,3 V (5 W). Si tenga presente che il funzionamento a bassa tensione richiede una maggiore capacità di corrente da parte dell'alimentatore per raggiungere i 5 W richiesti.
• Fornire una capacità a effetto di massa sufficiente sul pin XBee VCC per mantenere la tensione al di sopra della specifica minima durante la corrente di inserzione. La corrente di inserzione è di circa 2 A durante l'accensione iniziale delle comunicazioni cellulari e la riattivazione dalla modalità di sospensione.
• Posizionare i condensatori ceramici più piccoli ad alta frequenza molto vicini al pin VCC del modulo cellulare XBee per ridurre il rumore ad alta frequenza.
• Utilizzare un'ampia traccia di alimentazione o un piano di alimentazione per garantire che sia in grado di gestire i requisiti di corrente di picco con una caduta di tensione minima. Colorado Electronic Product Design consiglia di progettare l'alimentatore e la traccia in modo che la tensione al pin XBee VCC non vari di oltre 0,1 V tra basso carico (~0,5 W) e alto carico (~3 W).

Analogamente, come per altri moduli cellulari, la stabilità e l'affidabilità del rail di alimentazione sono considerazioni fondamentali. Queste direttive, tuttavia, sono più specifiche, richiamando la massima tensione di ripple, la corrente di inserzione prevista e fornendo alcuni suggerimenti per il layout di una scheda a circuiti stampati.

La topologia di potenza buck/boost - Una soluzione stabile e affidabile per i dispositivi indossabili IoT alimentati a batteria

Il dado è tratto. Progettare un sistema di alimentazione che soddisfi questi requisiti:

• Fornire un rail di alimentazione entro l'intervallo di funzionamento del modulo selezionato.
• Fornire una corrente sufficiente a coprire sia il fabbisogno di corrente medio sia quello di picco del modulo.
• Soddisfare tutti i requisiti di cui sopra senza superare il limite massimo della tensione di ripple e senza permettere un eccessivo calo di tensione nel rail di alimentazione.
• Fare tutto questo entro i confini di uno spazio fisico adeguato per un'applicazione indossabile e riuscire a soddisfare gli standard normativi pertinenti al caso d'uso di questo prodotto.

Come si è detto, i moduli cellulari hanno requisiti rigorosi in termini dei sistemi di alimentazione. Tutti questi aspetti possono essere soddisfatti in uno spazio fisico ristretto, tuttavia il successo del prodotto dipende da considerazioni di ordine superiore. La topologia della Figura 1 presenta l'approccio consigliato.

Figura 1: Diagramma di alto livello del regolatore a commutazione buck/boost. (Immagine per gentile concessione di Colorado Electronic Product Design)

Questa topologia funziona meglio di alcune delle comuni alternative progettuali, che saranno discusse più avanti. Di seguito esamineremo ciascuno degli aspetti di questa topologia consigliata, le rispettive sfide progettuali di ciascuna e come mitigare questi cambiamenti.

Resistenza della batteria e del gruppo batteria

La resistenza interna di un gruppo batteria sarà superiore alla resistenza della batteria stessa. Ciò è dovuto al circuito di protezione, ai fili di interconnessione, ai fusibili e ad altri elementi di un gruppo batteria per un'applicazione indossabile. La Tabella 3 mostra la ripartizione per una piccola batteria ai polimeri di litio media utilizzata in un telefono cellulare, un esempio appropriato di dispositivo indossabile IoT.

Tabella 3: Resistenze di un gruppo batteria (dettagliate) (Immagine per gentile concessione di Battery University Group)

1) Collegamento del modulo cellulare direttamente alla batteria.

Con un assorbimento di corrente tipico, questa resistenza non produce una significativa caduta di tensione; tuttavia a un carico di picco, la caduta di tensione della batteria potrebbe essere di 0,13 V ~ 0,33 V (i valori di tensione si basano sulla corrente più piccola e più alta assorbita dai moduli cellulari presentati). Anche se questa caduta di tensione potrebbe non far scendere il rail di alimentazione sotto il valore operativo minimo del modulo, produrrà una caduta e un ripple oltre le specifiche di questi moduli cellulari. Le prestazioni ne risentiranno e quindi non è consigliabile alimentare il modulo direttamente da una batteria.

2) Utilizzando una maggiore capacità a effetto di massa.

Un'alternativa per superare questa caduta di tensione potrebbe essere di aggiungere più capacità localmente. Tuttavia, questa capacità dovrebbe fornire corrente sufficiente per tutta la durata dell'assorbimento di corrente e farlo in tutto l'intervallo di temperature di funzionamento del prodotto. Questa, di per sé, è una richiesta difficile da soddisfare per i componenti passivi.

Questo approccio si complica ulteriormente se si considera l'enorme quantità di capacità richiesta. Basandosi sull'equazione della corrente di un condensatore,

 Equazione 1

L'equazione può essere risolta per calcolare la capacità richiesta per una data tensione, corrente e durata temporale,

 Equazione 2

Utilizzando il componente u-blox come riferimento, si può notare che l'impulso di alta corrente potrebbe essere attivo per 0,6 ms (4,615 ms / 8).

Figura 2: Profilo di consumo di corrente u-blox (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Quindi, quanta capacità è necessaria per fornire 2 A per 0,6 ms per superare una caduta di tensione di 0,26 V? Utilizzando l'equazione di cui sopra, il valore calcolato è 4,62 mF (4,62 x 10-3 Farad). I condensatori ceramici più grandi, che sarebbero l'ideale dato che in genere hanno una minore resistenza equivalente in serie (ESR), sono a circa 680 μF e non sono tipicamente componenti a montaggio superficiale. Se ne dovrebbero mettere molti in parallelo e considerare la riduzione della tensione nominale, la variazione di temperatura e la tolleranza. Esistono condensatori al tantalio ad alti valori, ma con questi la ESR limita la quantità di corrente che può essere fornita. Anche in questo caso, se ne dovrebbero mettere molti in parallelo per tener conto delle proprietà parassite indesiderate dei componenti.

Il fatto di dover utilizzare più condensatori occuperebbe spazio prezioso sul circuito stampato in un prodotto indossabile già confinato e aumenterebbe notevolmente i costi della distinta base. Inoltre, si dovrebbe riprogettare la capacità ogni volta che si cambia la batteria o qualsiasi altro elemento sul percorso di alimentazione. Queste restrizioni rendono la soluzione capacitiva un approccio problematico per risolvere questa considerazione progettuale.

Regolatore a commutazione buck/boost

Questo regolatore è il cuore di questa topologia di progettazione dell'alimentazione. In questa sezione saranno presentati due regolatori buck/boost disponibili in commercio. Ognuno sarebbe un'opzione adatta per un'applicazione indossabile IoT. Tuttavia, prima di immergersi in queste specifiche, alcuni punti aiuteranno a spiegare la necessità di un tale regolatore.

1) Un regolatore buck non è sufficiente

A questo punto, abbiamo detto che collegare un modulo cellulare direttamente alla batteria non è una buona scelta progettuale. Tuttavia, questa sezione va un passo oltre e sostiene che, sebbene l'uso di un regolatore buck sarebbe un passo avanti rispetto al collegamento diretto alla batteria, non è comunque una buona scelta per la maggior parte dei casi di utilizzo di un dispositivo indossabile IoT. Il potenziamento è necessario e di seguito si spiega il perché.

Figura 3: Curva di scarica di una batteria al litio (3,7 V nominali) con correnti di scarica di 0,2 C, 0,5 C e 1 C. (Immagine per gentile concessione di Innovative Battery Technology)

Quando una batteria ha il 20% di carica residua, la tensione della batteria potrebbe rientrare nell'intervallo 2,8 V ~ 3,7 V. Ora, il circuito di protezione da sottotensione può scollegare la batteria quando la tensione scende al di sotto di 3,0 V. Detto questo, si supponga che l'intervallo di tensione "effettiva" per una batteria con il 20% di capacità residua sia compreso tra 3,7 V e 3,0 V. Se si unisce questa informazione al fatto che un regolatore buck richiede una tensione di ingresso maggiore o uguale alla tensione di uscita, il dilemma progettuale comincia a prendere forma.

Se VOUT è impostato su 3,3 V e si utilizza un regolatore buck, la tensione di batteria più bassa utilizzabile sarà il valore che la batteria può sostenere mentre il modulo cellulare assorbe la sua corrente di picco, a condizione che questo valore sia di 3,3 V o superiore.

Matematicamente, l'efficienza è calcolata come,

 Equazione 3

Riordinando questa equazione,

 Equazione 4

Ipotizzando un'efficienza del 90% per il regolatore buck, deve fornire 3,3 V * 2,5 A = 8,25 W se il modulo u-blox è integrato. Ciò significa che la potenza in ingresso deve essere di 8,25 W / 0,9 = 9,2 W.

Applicando l'equazione,

 Equazione 5

Si può notare che la tensione di ingresso al valore nominale della batteria di 3,7 V deve fornire 2,49 A. Tuttavia, questa è la corrente fornita al regolatore, che deve passare prima attraverso la resistenza in serie del gruppo batteria. Pertanto, la tensione effettiva della batteria deve essere la somma della tensione all'ingresso del regolatore e della tensione caduta sulla resistenza in serie del gruppo batteria: 3,7 V + (2,49 A * 0,13 ohm) = 4,02 V. In questo modo, si ottiene una caduta di tensione di 0,32 V sulla resistenza in serie del gruppo batteria.

Ciò significa che il più basso valore utilizzabile per questa batteria è 3,3 V + V resistenza in serie = ~3,62 V. Se la tensione del gruppo batteria dovesse scendere al di sotto di questo valore, la tensione di ingresso al regolatore buck non sarà più uguale o maggiore alla tensione di uscita e pertanto la regolazione non avverrebbe. La mancata regolazione causerebbe l'abbassamento del rail di alimentazione del modulo cellulare e violerebbe anche i requisiti di ripple e di abbassamento di tensione. Le prestazioni ne soffrirebbero.

2) Altre considerazioni

In breve, la parte boost del regolatore buck/boost permette al sistema di accedere al 20% della capacità finale del gruppo batteria. Con buck/boost, il rail di alimentazione del modulo sarà mantenuto fintantoché la batteria potrà sostenere l'alimentazione al regolatore e non cederà prematuramente - con la carica ancora presente nella batteria.

Vale la pena notare che con un regolatore buck/boost, l'ultimo 20% di carica della batteria si consumerà più velocemente del precedente 80%. Ciò è dovuto all'aumento della corrente di ingresso necessaria una volta che la tensione di ingresso scende al di sotto del setpoint della tensione di uscita. Tuttavia, questo aumento di corrente deve essere tenuto in considerazione quando si seleziona la corrente di scarica massima del gruppo batteria.

3) Esempio di prodotto - ISL91110 di Renesas

I grafici seguenti mostrano le capacità di questo componente, che presenta uno scambio automatico tra il funzionamento a basso e alto carico. Il risultato efficace è un miglioramento dell'efficienza sull'intero intervallo di funzionamento della corrente di uscita.

Figura 4: Efficienza e V_IN per ISL91110 di Renesas. (Immagine per gentile concessione di Renesas)

Figura 5: ISL91110 di Renesas , transitori di carico 0 ~ 2 A (V_IN = 3.6 V, V_OUT = 3,3 V). (Immagine per gentile concessione di Renesas)

4) Esempio di prodotto - FAN49103 di ON Semiconductor

Questo componente presenta uno scambio automatico tra il funzionamento a basso e alto carico. Anche se i parametri si riferiscono a una tensione di uscita impostata su 3,4 V (non su 3,3 V), questo componente funzionerebbe in questa applicazione di esempio.

Figura 6: Efficienza e carico di corrente (mA) per FAN49103 di ON Semiconductor (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Figura 7: FAN49103 di ON Semiconductor, transitori di carico 0 ~ 2 A (V_IN = 3,6 V, V_OUT = 3,4 V). (Immagine per gentile concessione di ON Semiconductor)

Condensatori locali

I condensatori locali hanno due importanti funzioni: fornire l'immagazzinaggio locale dell'energia per soddisfare improvvisi aumenti della corrente di carico e filtrare i transitori ad alta frequenza e le tensioni di ripple che possono essere dannose per le prestazioni.

Il posizionamento del condensatore consigliato all'interno del layout del progetto è cruciale e deve consentire al modulo cellulare di essere alimentato dal rail di tensione più pulito possibile. Ciò significa che i condensatori immediatamente accanto al modulo cellulare devono avere i livelli di ESR ed ESL più bassi. In effetti, la loro capacità nominale effettiva può essere nell'intervallo dei pico-farad. Si consigliano condensatori ceramici C0G.

Anche se questi condensatori a bassi valori realizzano abbastanza bene il filtraggio ad alta frequenza, hanno uno scarso potere di immagazzinaggio dell'energia. A questo scopo, un condensatore al tantalio più grande, nell'ordine di centinaia di micro-farad, è posizionato più lontano dai pin di alimentazione del modulo cellulare. Questo non significa che sia lontano; è sempre vicino ma non così vicino come i suddetti condensatori ceramici. Un'ulteriore, importante caratteristica di questo grande condensatore è che il suo livello di ESR è basso alla frequenza fondamentale del transitorio di corrente previsto. Si raccomanda una ESR di 100 mΩ a 100 kHz.

La Figura 8 illustra il layout consigliato per il modulo cellulare MPCI di u-blox.

Figura 8: Schema del layout del condensatore locale consigliato per la serie MPCI-L2 di u-blox. (Immagine per gentile concessione di u-blox)

Nella Figura 8, C1 – C3 sono i condensatori C0G a bassi valori, a bassa ESR e bassa ESL. C4 – C5 sono condensatori ceramici nell'intervallo 0,1 ~ 10 μF. Infine, C6 è il condensatore al tantalio ad alti valori per bassa ESR alla frequenza fondamentale della corrente di carico transitoria.

È estremamente importante che i valori di tensione nominale siano selezionati in modo da attenuare il declassamento. Questo vale soprattutto per i condensatori ceramici.

Questa sezione si conclude con un paio di condensatori disponibili in commercio. Sono forniti i parametri applicabili.

1) KEMET

Codice componente: T520D337M006ATE045

Capacità: 330 μF

Tolleranza: 20%

Tensione nominale: 6,3 V

ESR a 100 kHz: 45 mΩ

2) Panasonic Electronic Components

Codice componente: 6TPF470MAH

Capacità: 470 μF

Tolleranza: 20%

Tensione nominale: 6,3 V

ESR a 100 kHz: 10 mΩ

Considerazioni sul layout

Sebbene ciascuno dei componenti selezionati avrà elencate raccomandazioni di layout specifiche all'interno delle relative schede tecniche, vi sono alcune linee guida generali di layout che portano a prestazioni efficienti e a basso rumore.

1) Messa a terra e versamenti

Usare versamenti a poligono dove possibile. Ciò vale soprattutto per i collegamenti alla tensione di ingresso, alla tensione di uscita, all'induttore e ai nodi di terra. In sostanza, non tenete a mano il rame, poiché questi piani forniscono percorsi a bassa resistenza e a bassa induttanza per il flusso di corrente, che include eventuali correnti spurie o di manovra. La Figura 9 è il layout consigliato per lo strato superiore del buck/boost LTC3113 di Linear Technology e illustra bene la preferenza dei versamenti di rame.

Figura 9: Layout dello strato superiore di LTC3113 di Linear Tech. (Immagine per gentile concessione di Linear Technology)

2) Soppressore

Sebbene sia stato fatto ogni sforzo per ridurre le resistenze e le induttanze parassite, si tratta sempre di un progetto con vincoli di spazio e indossabile. I piani di massa e di alimentazione non saranno poi tanto grandi. Le disposizioni in questo layout dovrebbero consentire il posizionamento di un circuito soppressore RC. Anche se questi componenti non hanno bisogno di essere popolati inizialmente, i progettisti troveranno vantaggioso assegnare i footprint nel caso in cui questo circuito fosse necessario per ridurre le emissioni.

Questi elementi parassiti contribuiscono alla sovraoscillazione all'interno della corrente di commutazione (Figura 10).

Figura 10: Sovraoscillazione all'interno della corrente dell'induttore di commutazione del regolatore buck (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Come già detto, ciò può essere inevitabile a causa del rispetto dei requisiti di spazio. Il circuito soppressore, Figura 11, elimina queste energie spurie a terra. Se non ci fosse, le oscillazioni potrebbero spingere le emissioni oltre i limiti accettabili per la conformità normativa. Il circuito soppressore è un meccanismo utile per silenziare un regolatore con vincoli di spazio.

Figura 11: Posizione consigliata per il soppressore RC del regolatore buck (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

3) Perline di ferrite

L'ultima raccomandazione è quella di affrontare qualsiasi rumore duraturo e ad alta frequenza trasmesso insieme alla potenza in uscita. Posizionare una perlina di ferrite ad alta corrente, selezionata con la giusta attenuazione alle frequenze chiave, in serie con l'uscita del regolatore buck/boost. Dovrebbe trovarsi tra l'uscita del regolatore e i condensatori di bypass sfusi.

Case study - LTC3113 che alimenta il modulo SARA di u-blox

Il modulo SARA è un transceiver cellulare 3G. Proprio come i moduli cellulari di cui sopra, anche questo può assorbire grandi correnti in picchi che causano l'abbassamento di tensione della batteria per via della resistenza in serie. Il progetto del circuito in Figura 12 per il regolatore a commutazione buck/boost LTC3113 è stato utilizzato per mantenere il rail di alimentazione stabile ed affidabile a 3,3 V per questo progetto.

Figura 12: Case study del circuito del regolatore di commutazione buck/boost LTC3113 (Immagine per gentile concessione di Colorado Electronic Product Design)

Questo progetto di regolatore, insieme con i condensatori di bypass locali disposti come mostrato in Figura 12, ha prodotto un rail di alimentazione stabile a tutte le correnti di funzionamento assorbite. Il grafico in Figura 13 indica la corrente assorbita da SARA (blu), il rail di potenza in uscita a 3,3 V proveniente dal regolatore buck/boost (verde), la tensione in ingresso della batteria e l'eventuale abbassamento su questo rail (viola) e la tensione di ripple misurata sul rail di potenza in uscita (arancione).

Come si evince, questo grande picco di corrente non provoca un abbassamento o un ripple significativo sul rail di uscita regolato a 3,3 V. Tuttavia, questo provoca l'abbassamento del rail di ingresso.

Figura 13: Case study del circuito del regolatore di commutazione buck/boost LTC3113, disegno del modulo SARA con corrente di ~0,9 A (blu), rail di uscita di 3,3 V (verde), rail di ingresso batteria (viola) e ripple sul rail di uscita di 3,3 V (arancione). (Immagine per gentile concessione di Colorado Electronic Product Design)

Anche in questo caso, la stabilità e l'affidabilità del rail di uscita rimangono costanti a 3,3 V e con un ripple minimo. Il rail di ingresso della batteria, tuttavia, subisce un abbassamento di ~0,32 V, che è al di fuori delle specifiche del modulo SARA e degli altri moduli menzionati in questo documento. Il regolatore buck/boost è in grado di accettare questi picchi di corrente e di mantenere un rail di alimentazione adatto al funzionamento del modulo cellulare in tutte le condizioni previste.

Conclusione

I progetti di dispositivi indossabili IoT presentano una serie di sfide alla cui convergenza si trova quasi sempre il sistema di alimentazione. La topologia del regolatore buck/boost affronta direttamente questi cambiamenti fornendo una guida di alimentazione stabile e affidabile nell'intervallo di condizioni di funzionamento di un modulo cellulare. Ciò non significa che non sia necessario un attento lavoro di progettazione, anzi, ma se si seguono le buone pratiche di progettazione, questa topologia funzionerà. Via via che i progetti di dispositivi indossabili IoT si fanno sempre più compatti, aumenteranno anche le aspettative prestazionali. Considerate questa robusta topologia per l'alimentazione di progetti IoT indossabili compatti e ad alte prestazioni.

Riconoscimento: un ringraziamento speciale a Linear Tech/Analog Devices e alla direzione e al personale di CEPD (Colorado Electronic Product Design).