如何为耗电设备的电源选择合适的拓扑

1.前言

任何物联网（IOT）设备的成功取决于其易用性。主要在于，易用性意味着易于连接和控制设备。但它也是指联网设备的维护不足。由于电池需要更换，多久将其关断一次？

一些工程师考虑使用LDO，因其成本低。在大多数情况下，LDO的集成电路（IC）成本低于降压（降压）或升压（升压）转换器的IC成本。但线性电路的效率可以缩短电池寿命。

对于特定的电源设计，可能有多种可行的解决方案。在下面的示例中，我们将介绍多种选择，例如单芯片电源与多电压轨集成电路(IC)。我们将评估成本和性能取舍。探讨低压差(LDO)稳压器与开关稳压器（一般称为降压或升压稳压器）之间的权衡考量。还将介绍混合方法（即LDO稳压器和降压稳压器的混合与匹配），包括电压输入至输出控制(VIOC)稳压器解决方案。在电源设计中，成本和性能要求并存，所以设计人员必须仔细考虑逻辑电平和对干净电源的要求。在公差和噪声方面，通过设计实现可靠性并提供适当裕量，也可以避免生产问题。设计人员需要了解与电源设计相关的权衡考量：哪些可实现？哪些可接受？如果设计达不到要求的性能，那么设计人员必须重新审视选项和成本，以满足规格要求

当存在如此多的电源管理集成电路 (IC) 时，很难为无线设计选择电源拓扑。可能很难说从哪里开始，所以我总是从选择基础开始。设计和板载设备的应用将决定运行所需的不同电压轨。

考虑使用智能锁或供暖、通风和空调 (HVAC) 风门控制系统。该控制系统通常由一个比电路板其他部分更高电压的电机驱动器组成。低电压轨为 MCU、无线电和其他传感组件供电。

2.合适的电源选择

电源管理 IC 将使创建不同的电压轨更容易。在智能阻尼器系统中，我们有两种方法可以创建两个不同的电压轨。第一种选择是用电池创建 3V 电压轨，然后将电机驱动器的电压升至 6V。第二种选择是让电池为电机驱动器提供 6V 电压，然后将系统其余部分的电压降低到 3V。

设计的下一步是选择电源拓扑。三种主要的电源拓扑可用于智能阻尼器应用：低压差 (LDO) 稳压器、降压转换器（也称为降压）和升压（见图 1）。LDO 和降压实现不依赖于事件，这意味着无论一天中发生多少阻尼百叶窗运动，这两种拓扑都使用相同的能量。LDO 和降压将降低电压以产生较低电压的电源轨来运行微控制器 (MCU)，而较高电压的组件会消耗较高的电池电压。升压取决于事件，因为每个阻尼器调整事件都必须将电压从 3V 升至 6V，以用于电机和发光二极管 (LED) 操作。

图 1：电源拓扑

我选择降压配置是因为 LDO 具有接地泄漏电流，而降压配置的接地泄漏电流为零，因此效率更高。

如需对智能锁和 HVAC 风门系统的电源拓扑进行更多分析，请查看我们的参考设计指南，包含对各种电源拓扑选择的更深入分析。

跳过部件选择，我选择了 TPS62745 降压转换器，因为它为低功耗设计提供了额外的好处。该器件具有允许用户选择输出电压的选择线，因此无需反馈电阻器，从而略微降低了物料清单 (BOM) 成本。TPS62745 可以使用启用引脚和外部电阻分压器动态启用或禁用电池电压检查。能量是守恒的，因为分压器仅在需要检查电池电压时才启用。其余时间，分压器电路不使用能量且不连接。TPS62745 在极轻负载下也很高效；它在 10μA 时有 85% 的效率。效率是关键，因为智能风门系统大部分时间都处于休眠状态。

图 2：智能阻尼器参考设计框图

选择电源拓扑和管理 IC 后，我们现在要做的就是选择连接到每个电源轨的部件和传感器。TI 拥有多种电源管理 IC 和不同风格的 MCU，可满足我们的系统需求。