穿戴式裝置須使用更加精簡的電子電路，才能符合穿戴式裝置微型化的需求。並且不論在待機或重載工作時，都要能夠延長電池使用時間。基於以上考量，具有超低靜態電流及高轉換效率的微小型封裝電源管理IC，成為智慧型穿戴產品電源方案首選。本文以沛亨半導體所推出的AIC2471電源管理IC為例，探討穿戴式裝置電源設計。
具更快速暫態響應 AOT電源IC應用廣
眾所周知的電流模式(Current Mode)是切換式DC/DC電源轉換器中常見的控制方式，此控制方式有許多優點，其中一項是具有快速暫態響應(Load Transient Response)。
暫態響應是衡量DC/DC電源轉換器效能的重要參數之一，反應時間愈短，代表反應速度愈快，輸出電壓下衝(Undershoot)小，暫態響應表現優異。近幾年，具備快速暫態響應的DC/DC電源轉換器已是趨勢，雖然電流模式能提供快速暫態響應，然而目前大多數電子產品都朝向高效能發展，電流模式的暫態響應速度已無法滿足高效能電子產品的要求。
在實際應用上，對於暫態響應速度沒有特別要求的電子產品，可以使用脈波寬度調變的電流模式DC/DC電源轉換器，此種電源轉換器對於負載瞬間的變化能提供快速的暫態響應。
若是希望能有更加快速的暫態響應，例如Core電源或是高負載電流變化率之應用，則建議選擇適應性導通時間(Adaptive On Time, AOT)控制的DC/DC電源轉換器。由於適應性導通時間控制具有更快速的暫態響應，因此已被廣泛地應用於DC/DC電源轉換器中。本文所介紹的AIC2471轉換器即為適應性導通時間控制架構。
適應性導通時間控制利用輸出電容的等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)在FB接腳上產生漣波電壓，此VFB與誤差放大器的參考電壓(Reference Voltage, VREF)比較，一旦VFB低於VREF，上橋功率電晶體導通，能量傳輸至負載端，而上橋功率電晶體的導通時間(On Time, Ton)由切換頻率(Switching Frequency, fSW)、輸出電壓及輸入電壓決定，此導通時間可以很短，所以適應性導通時間控制的轉換器適合高降壓比應用。圖1為適應性導通時間控制示意圖，導通時間Ton可由公式1計算，其中T=1/fSW：
公式1
對於適應性導通時間控制DC/DC轉換器的穩定度而言，輸出電容的ESR扮演關鍵性的影響，一般須要使用較大的ESR才能使系統穩定，然而較大的ESR會導致輸出漣波過大，而ESR太小又會使系統不穩定。AIC2471克服了使用低ESR輸出電容的困擾，具有良好穩定性能，無需外部補償電路。
當負載電流瞬間從輕載變化至重載時，電流模式控制須要等待下一個時脈訊號觸發，才能再次產生新的切換週期。相較於電流模式控制，適應性導通時間控制能快速地改變工作週期(Duty Cycle)及切換頻率。
當上橋功率電晶體截止之後，只需要經過一段最小截止時間(Minimum Off Time)，上橋功率電晶體會再次被導通，如此重複循環，就能夠連續產生數個切換週期，進而達到更快速的暫態響應，圖2為適應性導通時間控制之暫態響應示意圖。
傳統的固定導通時間(Constant on Time, COT)控制最大缺點是切換頻率會隨著輸入電壓及輸出電壓的變化而改變，而適應性導通時間控制的切換頻率幾乎可以維持固定。
AIC2471為適應性導通時間控制之同步整流DC/DC降壓轉換器，具有寬輸入電壓範圍2.5V至6V，連續輸出電流可達1A。同時具有高轉換效率、低輸出漣波、低靜態電流及更快速的暫態響應等優點，其中靜態電流僅8μA。IC內建電感且周邊元件皆使用晶片式元件，可大幅縮小應用電路的面積，節省PCB空間。
電子產品朝微型化發展 電源IC體積需短小精悍
由於電子產品微型化，體積愈來愈小，功能卻愈來愈強大，對電源IC體積和效能的要求愈來愈高，本文所介紹的AIC2471採用DFN-10小型封裝，並且內建電感，對於此種小型封裝，多數工程人員最在意的是散熱較差會導致電源IC有過熱現象。AIC2471內建功率電晶體，下橋功率電晶體具有低RDS(ON)，僅110mΩ，可大幅降低功率電晶體的導通損耗，其轉換效率可達92%，能夠降低電源IC所產生的熱，在正常環境操作下，不會有過熱現象發生。
AIC2471最低工作電壓為2.5V，可操作在100%工作週期，讓輸入電壓可以非常接近輸出電壓，適合在單顆鋰離子電池的電子產品上使用。為了延長電池的使用時間，電源IC在待機時需要更省電，所以必須提高輕載時的轉換效率。AIC2471在輕載時會自動切換至省電模式(Power Saving Mode, PSM)，此時，切換頻率會隨著負載電流降低而下降，電源IC減少切換損失，提高輕載轉換效率。圖3為AIC2471應用電路，圖4為AIC2471功能方塊圖。
因應PCB小面積設計 周邊元件選擇有撇步
電源IC周邊元件的體積大小，會影響PCB面積大小，由於穿戴式裝置體積小巧，空間有限，所以對於零件選用有更多的要求。AIC2471的輸出電壓可透過R1與R2來設定，輸出電壓的計算式如公式2：
公式2
其中VFB為參考電壓0.6V。以輸出電壓3.3V為例，R1與R2分別為200kΩ和44.2kΩ。對降壓轉換器而言，電感與輸出電容為一低通濾波器(Low-Pass Filter)，影響DC/DC轉換器的輸出漣波及暫態響應。因為AIC2471內建電感，在此只考慮輸出電容。
在輸出電容選擇上，電容值及ESR都會影響輸出漣波和暫態響應的表現。AIC2471轉換器選擇MLCC作為輸出電容，MLCC具有低ESR及低ESL特性，能大幅降低輸出漣波，優化暫態響應，且體積小不占空間。另外，所選用的電容額定電壓必須高於輸出電壓。輸出電容計算如公式3：
公式3
其中fSW為切換頻率3MHz。實際應用上，建議在輸出端使用10μF/10V陶瓷電容。
多種保護機制確保電源IC正常運作
AIC2471內建完整的保護機制，包括緩啟動(Soft Start)、輸入低電壓閂鎖(Under Voltage Lockout, UVLO)、過電流保護(Over Current Protection)、過溫度保護(Over Temperature Protection)，以及短路保護(Short Circuit Protection)。
緩啟動功能用以限制啟動時輸出電壓的上衝(Overshoot)及湧浪電流(Inrush Current)，避免電源IC及零件的損壞。當電源IC的輸入電壓低於最低工作電壓時，會發生誤動作，因此必須加入低電壓閂鎖保護。當AIC2471的輸入電壓低於2.2V時，UVLO功能會關閉功率電晶體並停止輸出。UVLO功能可以確保在輸入電壓達到2.2V前不會使IC動作。
當負載端發生過電流，電流限制功能會限制電感電流的峰值，不讓電流繼續上升，以保護功率電晶體。當保護機制被觸發後的連續9個切換週期，負載端的過電流現象依舊沒有解除時，IC將會關閉功率電晶體並重新緩啟動，直到過電流解除為止。
另外，為了防止電源IC因為溫度過高而損壞，內建的過溫度保護功能，當IC內部的接面溫度(Junction Temperature)超過150度，過溫度保護啟動並且將IC關閉。直到接面溫度降低至125度，電源IC才會重新啟動。
高效/精簡電源轉換器利於穿戴式裝置設計
圖5及圖6是AIC2471的轉換效率曲線，由圖6可知，最高轉換效率可達92%。圖7為AIC2471輸出漣波，在1A條件下，輸出漣波大小約為8mV。圖8為AIC2471暫態響應，可以看出負載從輕載到重載，有更快速的暫態響應。
本文所選用的適應性導通時間控制之同步整流DC/DC降壓轉換器，具有更快速暫態響應、低輸出漣波、低靜態電流、高轉換效率等優點。此轉換器尺寸小，周邊元件少，可有效縮小PCB空間，有利於微小型電子系統的應用。如此精簡又具備高效能的DC/DC電源轉換器，可滿足穿戴式裝置電源設計需求。
