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저자: 니니 종(Nini Zhong), 공동 저자: 아일린 장(Eileen Zhang)

장치의 정동작 전류인 IQ는 연속 혈당 모니터(CGM)와 같은 저전력 에너지 효율적인 최종 장비의 중요한 매개 변수다. 부하가 적거나 없을 때 집적 회로에서 끌어오는 전류는 대기 모드에서의 전력 손실과 시스템의 총 가동 시간에 상당한 영향을 미친다.

배터리에 의해 구동되는 부하는 실제로 항상 켜져 있는 것은 아니지만 펄스 폭 변조(PWM) 부하다. , 부하는 그림 1에 표시된 tPWM tStandby의 두 기간으로 구성된다. 그림 1에서 T로 표시된 tStandby가 전체 부하 사이클의 99.9%를 차지하지만, 효율성, 특히 경부하 효율성을 개선하는 것은 여전히 중요하다.

그림 1: 배터리 시스템의 부하 조건

과제는 대기 모드에서 전력 손실을 줄이고 온펄스 기간 동안 전류 스파이크를 제한하고 듀티 사이클을 감소시켜 효율성을 높이고 배터리 수명을 연장하는 것이다. 낮은 IQ의 부스트 컨버터는 배터리의 총 전력 손실을 줄이는 데 도움이 된다.

IQ 부스트 컨버터를 선택하여 전체적인 효율성 향상

CGM은 배터리 수명을 연장하기 위해 IQ를 최소화하는 것이 중요한 이유를 보여준다. 그림 2는 혈당 농도를 판독하기 위한 센서, 혈당 판독을 캡처하기 위한 트랜스미터 및 통신과 디스플레이를 위한 무선 리시버 등 CGM 전원 블록을 보여준다. 코인 셀 배터리, 부스트 컨버터 및 아날로그 프론트 엔드(그림 3)로 구성된 트랜스미터가 가장 많은 전력을 소비한다.

 

그림 2: CGM전력 아키텍처

그림 3: CGM 트랜스미터의 전력 아키텍처

그림 4는 아날로그 프론트 엔드의 부하 전류를 보여준다. 보시다시피 트랜스미터는 99%의 시간 동안 대기 모드다.

그림 4: CGM 트랜스미터에서 시간 경과에 따른 전류 소비

 방정식 1은 한 번의 부하 사이클 동안 배터리가 공급하는 총 전력을 다음과 같이 계산한다.

IQ를 낮추면 대기 모드의 효율성을 직접적으로 향상시킬 수 있다.

TI TPS61299 부스트 컨버터는 VOUT에서 95nA IQ만을 소비하므로 CGM의 일반적인 대기 조건에서 효율을 39% 향상시킬 수 있다: VIN = 3.0 V, VOUT = 3.3 V 및 대기 IOUT = 10µA(그림 5). 288초의 부하 사이클마다 600ms 동안 30mA의 온펄스 부하가 지속되면 하루에 최대 2.53W의 전력이 절약된다. 이러한 대기 모드에서의 효율성 향상은 궁극적으로 배터리 수명을 20%까지 연장시킬 수 있다.

그림 5: TPS61299와 600nA IQ 장치의 효율 곡선

배터리의 방전 전류 제한

고에너지 밀도, 저방전 코인 셀 배터리는 매우 인기가 많지만, 주요 단점은 높은 등가 직렬 저항(ESR)과 제한된 전류 능력이다. PWM 부하 애플리케이션의 경우 듀티 사이클이 작고, 고전류 펄스가 방전 전류보다 훨씬 높은 높은 돌입 전류 스파이크를 추가하며 특히 슈퍼 커패시터를 사용하는 경우 배터리 용량과 배터리 수명에 해로운 영향을 미친다. 또한, 배터리가 노후화됨에 따라 ESR이 증가하고, 이에 따라 전류 스파이크에 의한 전력 손실도 증가한다.

배터리 용량은 방전 전류와 반비례하고, 그림 6에서 볼 수 있듯이 배터리 수명은 용량에 따라 선형적이다. 방전 전류를 500mA에서 100mA로 줄이면 배터리 수명이 두 배로 늘어난다.

입력 전류 제한이 5mA에서 1.5A까지인 TPS61299 부스트 컨버터 제품군은 온펄스 기간 동안 방전 전류를 정확하게 제한하여 배터리 수명을 연장한다.

 

그림 6: 배터리 수명 방전 전류

빠른 과도 응답 시간을 지원하는 장치 선택

전체 전력 손실을 줄이기 위해 부하의 온펄스 폭을 줄이면 전체 배터리 수명도 연장된다.

그림 7은 스마트워치 LED의 사이클별 부하 조건을 보여줍니다. PWM 부하는 과도 시간(ttran)과 샘플링 시간(tsample)의 두 단계로 구성된다. ttran은 부하 전류 또는 공급 전압이 급격하게 변화한 후 부스트 컨버터가 목표 출력 전압으로 얼마나 빨리 다시 조절하는지 측정합니다. tsample은 포토 다이오드가 안정화되면 일정한 값으로 유지된다.

ttran을 단축하면 PWM 시간(tPWM)이 크게 좁아져 블랭킹 시간(tBLANK)이 차례로 넓어지며 저 IQ의 작동 상태가 길어진다. 100µs에서 10µs로 ttran을 줄일 수 있다고 가정하면, 10µs tsample의 경우 사이클 시간이 250µs이며, 그림 8과 같이 tBLANK를 140µs에서 230µs로 확장할 수 있다.

그림 7: 기존 PWM 부하

그림 8: 빠른 과도 성능의 PWM 부하

tBLANK 및 단축 ttran 동안 높은 효율을 달성하기 위해 저 IQ를 유지하는 것은 항상 어려운 일이다. 저 IQ 장치는 IQ가 매우 낮은 내부 기생 커패시터를 재충전하기 어렵기 때문에 항상 응답 시간이 길어진다.

그럼에도 불구하고, TPS61299는 더 넓은 대역폭으로 더 빠른 과도 응답 시간을 달성할 수 있다. 예를 들어, 그림 9와 같이, 3.6V 입력 및 5V 출력 조건에서 출력-전류 스텝이 0mA에서 200mA로 올라가는 일반적인 정착 시간은 8µs이다.

그림 9: TPS61299과도 파형

마무리

TPS61299 부스트 컨버터는 아래와 같이 설계자가 총 배터리 전력 손실을 줄일 수 있는 가장 효과적인 세 가지 방법을 동시에 통합한다.

  • IQ 부스트 컨버터를 선택하여 전체적인 효율성 향상
  • 배터리의 방전 전류 제한
  • 빠른 과도 응답 시간을 지원하는 장치 선택

기타 리소스

  • 애플리케이션 노트 "스마트워치 애플리케이션에서 빠른 과도 성능을 갖춘 TPS61299의 장점" 다운로드 하기

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