西門子電源6ES7307-1EA01-0AA0

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TI認為在可穿戴設備中，電池通常非常小(例如100 mAh)，設備又需要持續(xù)幾天甚至是幾個星期而又不用充電，因此功耗是一個關鍵的設計考慮因素。因此，高功率轉換效率將是一個關鍵的設計要素。時尚的手腕式可穿戴設備要想保持其酷炫特點，電子電路需要保持在極小的尺寸以內。這推動了高水平的包括電源管理IC在內的全器件集成。此外，功率器件的占板面積和封裝應做到盡可能小。另外，可穿戴設備可能采用新型電源，例如對太陽能或熱能進行能量采集。同時，某些產品可能更傾向于非接觸式充電。這些非接觸式充電當中包括了無線充電。

　　對于可穿戴電源目前存在的設計挑戰(zhàn)，總結了以下五點。

　　1、在鋰電池過充或溫度過高會導致起火，鋰電池的安全性問題仍讓人擔憂的同時，充電器應具有幾乎所有類型的安全設計，包括過壓保護、過流保護、過溫保護、短路保護和低溫充電等，甚至是在充電器IC及解決方案尺寸必須保持非常小的情況下也是如此。

　　2、因為可穿戴設備中的電池較小，充電精度的需求提高使為這些小電池充電并非易事。充電器必須能夠提供更小的充電截止電流。換言之，充電器的精度應該更高，達m*。例如，在智能手機系統(tǒng)中，2,000 mAh電池的正常充電電流為1.2 A(0.6 C)，充電截止電流應為正常充電電流的1/10～1/20，即120 mA～60 mA。然而在手環(huán)中，由于電池容量可能為100 mAh，正常充電電流將為60 mA，充電截止電流應為6 mA～3 mA。滿足這種要求的充電器器件很難找到。

　　3、可穿戴設備應具有較長續(xù)航時間。通常，如果消費者每天都要為設備充電，他們就會不高興。在現(xiàn)在許多的智能手機都必須一兩天充電一次的情況下，終端用戶顯然期待能夠有所改善。整個電源管理應能夠提供高效率的電源轉換系統(tǒng)，這包括：穩(wěn)壓器效率，以及穩(wěn)壓器和電池充電器應提供低靜態(tài)電流、低待機電流和低漏電流。具有極低漏電流和待機電流以及低靜態(tài)電流的電源管理器件更加難于設計。

　　4、甚至是現(xiàn)今的電池技術也不能完*電池運行時間的訴求。我們需要在使用可穿戴設備的同時，開發(fā)新的電源。新型電源的瓶頸在于其轉換為可用功率時，功率密度和轉換效率極低。

　　5、在可穿戴設備中，因為濕度、腐蝕等關系，許多產品的失效點為充電/信號連接器。

　　針對這些設計挑戰(zhàn)，TI 的應對措施如下。

　　1、TI的充電器IC和電量計IC為工作中的電池提供了廣泛的保護和監(jiān)控。TI在保持相同水平保護功能的同時縮小半導體尺寸的過程中取得了成功。例如，bq24040和bq25100都與JEITA標準兼容。兩者都具有Ts輸入用于監(jiān)控電池熱敏電阻，以保證充電溫度在合適范圍內。bq24040尺寸為2mm×2mm，并且在2014 年中期推出bq25100之前是小的充電器。bq25100尺寸為1.6 mm×0.9 mm，與0603尺寸的電容相當(圖1)。

　　2、主流可穿戴設備品牌采用TIbq24040/45或bq24232(帶電源通路)充電器IC，是因為它們的尺寸較小(分別為2mm×2mm和3mm×3mm)、精度較高。并且在適配器連接時，甚至是電池電量耗盡時，bq24232允許系統(tǒng)立即上電。在*的可穿戴設計中，精度和電源通路特性青睞。另外，bq25100允許正常充電電流小為10 mA，并且能夠將充電截止電流或預充電電流設置為1mA，這是針對可穿戴設備的業(yè)界精度。

　　3、為了在電源管理系統(tǒng)中降低功耗，TI針對可穿戴設備在極低的流耗下工作改造了這些器件。例如，bq25100在工作模式下的靜態(tài)電流小于1μA，并且在bq25100處于關閉模式時，電池漏電流低至75 nA。同時，“Nano -Buck”TPS62736降壓轉換器的靜態(tài)電流極低，僅為380nA，在15nA低負載的情況下，能夠幫助實現(xiàn)超過90%的效率。與在低負載條件下的傳統(tǒng)DC/DC轉換相比，這能夠延長30%～50%的電池運行時間。

　　4、能量采集技術刺激了可穿戴設備的新應用。TPS25504能夠從單個太陽能電池(約0.3～0.6V)或TEG(熱電發(fā)生器，0.3V)等低能量源中獲取能量。它對啟動電壓的要求較低，僅為0.33V，并且能夠在低至80 mV的電壓下工作。其靜態(tài)電流也很低，僅為330nA。

　　5、隨著Moto360等應用取得極大成功，無線充電變成了可穿戴設備，尤其是智能手表的取代性選擇方案。使用無線充電可使可穿戴設備無需使用連接器，做到更好地密封;無線充電有利于推廣帶有定制底座的易于充電的使用案例;無線充電Rx推薦是Qi兼容的，這樣可穿戴設備能夠在任何標準的Qi充電器上進行充電. Tx可以是Qi兼容的,但有些設計限于尺寸或特殊形狀要求，TX線圈需要定制(非Qi規(guī)范)。 ST：小體積、單芯片電源管理方案是發(fā)展趨勢

　　意法半導體(ST)認為可穿戴設備有以下三點趨勢。，超低靜態(tài)電流和小封裝電源管理單芯片是個趨勢。該電源管理芯片需集成線性充電、LDO和DC/DC等功能。LDO和DC/DC給其他模塊供電，比如藍牙、傳感器、MCU、GPS等。比如，STNS01是一個集成路徑管理、3 .1V/ 100mA超低靜態(tài)電流LDO、線性充電和過放保護的電源管理芯片。整個芯片尺寸只有3mm×3mm ,同時待機功耗只有100 nA。路徑管理可以保證即插即用，和減少電池充放電次數(shù)以延長電池壽命。3.1V/100mA超低靜態(tài)電流LDO在沒有負載時可以實現(xiàn)1nA的靜態(tài)電流。線性充電的充電電流可以通過外圍電阻設置充電電流從15mA～200mA，可以滿足所有各種可穿戴設備對充電電流的要求。

　　第二，太陽能充電及無線充電將廣泛用于智能手表。隨著國家對節(jié)能要求和可穿戴設備用戶戶外運動比較多的特點，太陽能充電就是一個很好的解決方案。無線充電本身帶有封閉性好的特點，尤其對一些戶外運動或水下運動的可穿戴設備將是一個很好的充電解決方案。第三，AMOLED屏驅動芯片。AMOLED屏將廣泛應用于智能手表。跟傳統(tǒng)LCD屏比較，AMOLED屏具有更高的亮度、更薄、更好的分辨率和更省電等特點。STOD32W是一個能滿足不同尺寸要求的驅動芯片。

　　在可穿戴設備電源方面，ST有很多解決方案，包括：PMIC(電源管理IC)、線性充電器、超低靜態(tài)電流的LDO、太陽能和無線充電方案、顯示屏驅動芯片。比如，STNS01是一款帶有路徑管理、3.1V/100mA LDO、線性充電和過放保護功能的電源管理芯片。STLQ015具有超低靜態(tài)電流的LDO。在沒有負載的狀態(tài)下，其靜態(tài)電流只有1uA，不工作狀態(tài)下只有1nA。同時，ST還提供太陽能和無線充電方案。STOD32W是一款100mA電流和三路輸出的AMOLED屏驅動芯片，可以給3”的AMOLED屏供電。SPV1050是一款集成兩路LDO的太陽能充電芯片。

　　在可穿戴設備電源設計方面，不同芯片平臺廠家將會推出自己不同功能的可穿戴設備解決方案，設計適合不同廠家平臺的電源管理芯片將是一個挑戰(zhàn);還有就是超低功耗和小尺寸。另外，目前還沒有適合不同尺寸要求的無線充電。現(xiàn)有的無線充電三大標準下，對于用于無線充電線圈大小定義都不適合現(xiàn)有可穿戴設備尺寸。我們將會推出更小尺寸(比如CSP封裝)的電源管理芯片。同時對于現(xiàn)有的無線充電三大標準下，用于無線充電的線圈大小定義都不適合現(xiàn)有可穿戴設備尺寸的情況，ST將推出具有自定義無線充電線圈大小的解決方案。比如針對智能手表，我們將會推出基于Qi標準的2.5W無線充電方案。另外，ST計劃推出的產品還有：更高效率的AMOLED驅動器芯片，CSP封裝的集成線性充電器、LDO或DC/DC等功能的電源管理芯片等。”

　　ADI：迎合電源管理低功耗、小體積及低成本要求

　　可穿戴設備本身是很寬泛的概念覆蓋各類產品形態(tài)，包括傳統(tǒng)便攜設備(如手表)，也包括在非設備類的穿戴產品中附件上各類傳感器進而成為可穿戴設備的范疇，例如衣服鞋帽等?？纱┐髟O備所提供的功能目前多集中在在工具類(如GPS、環(huán)境等)和運動健康類(如計步、睡眠、心率、體脂分析，以及血氧等)。

　　可穿戴設備現(xiàn)狀有如下幾個特點：整個智能可穿戴設備市場還是在啟動培養(yǎng)階段，例如功能的豐富性，結果實用性及服務性特征等，都需要進一步的完善;很多功能及性能實現(xiàn)還需要進一步的技術突破，例如功耗、體積以及使用的方便性等;開發(fā)可穿戴設備的公司越來越多，幾乎所有的品牌手機廠商都在進行著某種形式的投資及開發(fā);越來越多的IDH(獨立設計公司)參與到相關技術的研發(fā)，尤其是在軟件數(shù)據(jù)處理方面。

　　從可穿戴設備發(fā)展趨勢角度來看，以下幾點可能會被業(yè)內關注：宏觀來看必將是電子設備市場的新的增長點;持續(xù)不斷的增加并完善健康保健類功能，甚至某些性能到達或通過醫(yī)療級的應用標準;高集成度、小體積、低功耗以及低成本的傳感器硬件在將來的可穿戴設備開發(fā)中會成為越發(fā)關鍵的要素;后臺數(shù)據(jù)的分析處理及反饋到終端用戶將是維持用戶持續(xù)使用的必經之路。

　　ADI作為在傳感器及模擬混合信號的供應商，在可穿戴設備領域也會緊跟客戶及市場發(fā)展趨勢，并用專門的醫(yī)療保健團隊提供系統(tǒng)級包括軟件在內的方案。除此以外，在迎合可穿戴設備中電源管理特定的低功耗、小體積及低成本的要求，例如ADP150、ADP160等，在可穿戴市場都有很好的表現(xiàn)。

　　關于ADP16x系列而言，ADP160/ADP161/ADP162/ADP163均為超低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器，工作電壓為2.2V～5.5V，輸出電流可達150mA。在150mA負載下壓差僅為195mV，不僅可提高效率，而且能使器件在很寬的輸入電壓范圍內工作。

　　ADP16x 經過專門設計，利用1μF±30%小陶瓷輸入和輸出電容便可穩(wěn)定工作，適合高性能、空間受限應用的要求。ADP160可提供1.2V～4.2V范圍內的15種固定輸出電壓選項ADP160/ADP161還包括一個開關電阻，當LDO禁用時，該電阻自動使輸出放電。ADP162不包括輸出放電功能，其余與ADP160*相同。ADP161和ADP163可用作可調輸出電壓穩(wěn)壓器，僅提供5引腳TSOT封裝。ADP163不包括輸出放電功能，其余與ADP161*相同。短路和熱過載保護電路可以防止器件在不利條件下受損。 村田：手機用微型DC/DC轉換器沿用到可穿戴設備中

　　日前，村田制作所(Murata)在展會推出了可穿戴設備的整體解決方案。展出的可穿戴設備集成了薄膜型溫度傳感器(用于檢測體表的溫度)、光傳感器(用于檢測心率)以及MEMS氣壓傳感器(檢測氣壓，進而檢測高度)三種傳感器。同時，它還集成了藍牙智能模塊、微型DC-DC轉換器，以及片狀多層陶瓷電容。對于該產品的續(xù)航能力，村田工程師介紹說：“產品的續(xù)航時間取決于具體應用設計。這款展示方案采用CR2032鋰錳扣式電池，若所有功能全開，可以工作3～4天時間。

　　其中，該設備采用的微型DC-DC轉換器模塊系列集成了功率IC、功率電感，以及輸入和輸出電容(圖4)。該系列模塊尺寸為2.5mm×2.0mm×1.1/1.2mm，其特點是體積非常小，抗EMI干擾能力強。該系列輸出電壓為1.0V～3.3V，輸入電壓為2.3V～5.5V，負載電流為600mA。它總共有3大類：降壓、升降壓和升壓。

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屬性

PS 307; 2 A 電源模塊的屬性：

• 輸出電流為 2 A
• 輸出電壓為 24 V DC；防短路和防開路
• 與單相交流電源連接

  （額定輸入電壓為 120/230 V AC，50/60 Hz）

• 安全電氣隔離，符合 EN 60 950 (SELV)
• 可用作負載電源

PS 307; 2 A接線圖

PS 307; 2 A 的電路示意圖

 
圖片: 電源模塊 PS 307; 2 A 的電路示意圖

線路保護

PS 307電源模塊(2 A)的主電源應使用具有下列額定值的微型斷路器(例如Siemens 5SN1系列)進行保護：

• 230 V AC 時的額定電流：3 A
• 跳閘特性（類型）：C。

對非典型工作條件的響應

列表: PS 307; 2A電源模塊對非典型工作條件的響應

PS 307；2 A (6ES7307-1BA01-0AA0) 的技術規(guī)格

 西門子電源6ES7307-1EA01-0AA0

就像其他很多應用一樣，低功率、高精度組件已經使移動設備出現(xiàn)了迅速增長。然而，與其他很多應用不同的是，面向工業(yè)、醫(yī)療及軍事應用的便攜式產品一般對可靠性、運行時間和堅固性的要求高得多。這類高要求產生的負擔大部分落在了電源系統(tǒng)及其組件上。這類產品的一個共同特點是，必須在使用各種電源時正確工作且在各種電源之間無縫切換。因此，必須竭盡全力提供保護以及承受故障，在電池供電時限度延長運行時間，并確保只要存在有效電源，就能夠可靠運行。

　　顯然，滿足這些需求所需電源管理集成電路 (PMIC) 必須允許應用由多種電源供電，其中可能包括交流適配器、USB 端口、汽車點煙器適配器或甚至鋰離子電池。如果 PMIC 集成了電源通路 (PowerPathTM) 控制功能，那么這一要求可能很容易滿足。這種方法確保系統(tǒng)電源保持不間斷，并容許外部電源和電池電源之間以熱插拔方式轉換。在有些情況下，PMIC 中可能還包括電池充電器。如果這樣，那么這種電池充電電路需要確保利用應用不需要的多余電量給電池充電。此外，內置保護電路有時是必要的，以抵御超過 30V 的外部過壓故障。后，無負載靜態(tài)電流必須很低，以在很寬的負載及工作條件范圍內提供電源效率。這類功能對于任何產品的成功和實用性都是至關重要的。

　　行業(yè)趨勢

　　盡管產品尺寸越來越小，但是對功能的需求卻不斷增加。此外，現(xiàn)在的業(yè)界趨勢是，為移動產品供電的微處理器 (μP)、微控制器 (μC) 或現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 等數(shù)字 IC 不斷降低其工作電壓，但與此同時卻不斷提高其安培數(shù)。在設計產品時，微處理器是流行的器件，飛思卡爾、英特爾、NVIDIA、三星以及其他供應商所提供采用各種節(jié)電方式的產品也越來越多。這些產品用來跨多個細分市場，使多種便攜式、無線及移動設備應用實現(xiàn)低功耗和很高的處理性能。

　　使用這些處理器初的目的是，幫助 OEM 開發(fā)更小、更具成本效益、電池壽命更長的便攜式手持設備，同時提供增強的計算性能，以運行功能豐富的多媒體應用。然而，非便攜式應用現(xiàn)在也開始需要同樣高的電源效率和處理性能了。例如，汽車信息娛樂系統(tǒng)和其他嵌入式應用都需要類似水平的電源效率和處理能力。在所有情況下，要正確控制和監(jiān)視微處理器電源，以使這些處理器的性能優(yōu)勢全部發(fā)揮出來，就必須使用高度化、高性能的電源管理 IC。

　　如今的工業(yè)和醫(yī)療移動設備很多在電源加電以及給各種不同的電路加電時，都需要受控和經過精心設計的排序功能。實現(xiàn)系統(tǒng)靈活性及簡單的排序方法不僅使系統(tǒng)設計更容易，也提高了系統(tǒng)可靠性，并使單個 PMIC 在系統(tǒng)中能夠應對更廣泛的組件，而不是僅滿足一個具體的處理器的需求。

　　許多 PMIC 尚未擁有處理這些新式系統(tǒng)和微處理器所需的功率。任何旨在滿足已簡述之工業(yè)或醫(yī)療電源管理 IC 設計限制條件的解決方案都必須實現(xiàn)高集成度的整合，包括大電流開關穩(wěn)壓器和 LDO、寬工作溫度范圍、電源排序和重要參數(shù)的動態(tài) I2C 控制以及難以制作的功能部件。此外，具高開關頻率的器件允許使用更小的外部組件，同時陶瓷電容器可降低輸出紋波。這種低紋波與準確、響應速度很快的穩(wěn)壓器相結合，可滿足 45nm 型處理器苛刻的電壓容限要求。這樣的電源 IC 還必須能夠滿足嚴格的環(huán)境限制，諸如提供輻射抑制，即使輸入電壓直接由電池本身提供。

　　設計挑戰(zhàn)

　　當今的智能手機和平板電腦設計師面臨著的挑戰(zhàn)。其中包括需要高性能電源管理系統(tǒng)，以顧及日益提高的系統(tǒng)復雜性和更高的功率預算。這些系統(tǒng)努力在較長電池運行時間、與多種電源的兼容性、高功率密度、小尺寸、有效的熱量管理等相互排斥的目標之間實現(xiàn)平衡。

　　所有智能手機和平板電腦的一個共同目標是，在目前的水平上，進一步降低它們所消耗的功率。任何系統(tǒng)的功耗都能夠以兩種方式應對：首先，跨整個負載電流范圍

　　限度提高轉換效率;其次，降低 DC/DC 轉換器在所有工作模式時的靜態(tài)電流。因此，為了在降低系統(tǒng)功耗過程中發(fā)揮積極作用，電源轉換和管理 IC 必須更高效，且在所有工作條件下，具備更低的功耗水平。

　　為了滿足這些特定要求，凌力爾特在很多電源管理及轉換 IC 中納入了突發(fā)模式 (Burst Mode®) 技術。這種技術限度降低了 IC 本身在備用模式時所需的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低于 20mA。

　　直到不久前，鋰離子電池供電產品的設計師一直用兩種基本方法應對由于電池尺寸小因而容量有限的挑戰(zhàn)。一種方法是設計使用單獨組件的系統(tǒng)，每個組件為單一功能而優(yōu)化。這種方法提供的設計、布局和熱量管理靈活性，同時使每種功能實現(xiàn)了恰當?shù)男阅芩?。但是這種方法有一個主要缺點，即成本相對較高，需要占用大量電路板空間，以滿足日益增加的功能需求。

　　另一種替代方案是設計師可以從多種高集成度 PMIC 中進行選擇。這些器件所支持的功能通常超出大多數(shù)應用的實際需要，包括開關 DC/DC 控制器、單片式開關電源和眾多集成型 LDO 與無關的混合信號功能部件 (例如：觸屏控制器、音頻編等等) 的笨拙組合。結果，這些 PMIC 可能十分笨拙，難以使用，而且大多數(shù)需要僅為器件接通而大量投資開發(fā)固件。這類產品往往更重視集成而不是性能，常常由于將熱量集中到產品內的單個“熱點” 上而使熱量管理更加復雜。諷刺的是這類高集成度解決方案也需要占用相對較多的電路板空間，因為它們的封裝較大、引腳數(shù)較多。后，這類解決方案迫使設計師大膽安排電路板布局，以顧及所有有關外部組件 (MOSFET、電感器、二極管和各種無源組件)，以及顧及從 PMIC 跨整個系統(tǒng)到各種負載所需的有關布線。

　　不過，現(xiàn)在有一種新的方法可用，這種方法介于使用多個電源 IC 或使用高度復雜的 PMIC 這兩種方法之間，是一種適度集成但功能強大的 PMIC。這個 IC 就是凌力爾特不久前推出的 LTC3676 / LTC3676-1。

　　LTC3676 / LTC3676-1 是完整的電源管理解決方案，適用于飛思卡爾 i.MX6 處理器、基于 ARM 的處理器以及其他*的便攜式微處理器系統(tǒng)。LTC3676 / LTC3676-1 含有 4 個同步降壓型 DC/DC 轉換器，每個都可為內核、存儲器、I/O 和系統(tǒng)級芯片 (SoC) 軌提供高達 2.5A 的電流，該器件還含有 3 個面向低噪聲模擬電源的 300mA 線性穩(wěn)壓器。為提供 / 吸收電流和跟蹤運行情況，LTC3676-1 配置一個 1.5A 降壓型穩(wěn)壓器，以支持 DDR 存儲器終止，該器件還為 DDR 增加了一個 VTTR 基準輸出。這兩個引腳從功能上取代了 LTC3676 LDO4 的使能引腳和反饋引腳。LDO 4 仍然可通過 I2C 編程。高度可配置的電源排序功能、動態(tài)輸出電壓調節(jié)、按鈕接口控制器以及通過 I2C 接口實現(xiàn)的穩(wěn)壓器控制功能支持多個穩(wěn)壓器，另外通過中斷信號輸出，還提供廣泛的狀態(tài)和故障報告。LTC3676 支持 i.MX6、PXA 和 OMAP 處理器，具有 8 個處于合適功率級的獨立電源軌以及動態(tài)控制和排序功能。其他特點包括接口信號，例如：待機電壓 (VSTB) 引腳，其同時在多達 4 個電源軌上切換編程運行與待機輸出電壓。該器件采用扁平 40 引腳 6mm x 6mm x 0.75mm 裸露焊盤 QFN 封裝。