1

ST1PS01 - konwerter dla elektroniki mobilnej i IoT

| Technika

ST1PS01 to nowoczesny subminiaturowy układ zasilający o właściwościach specjalnie zaprojektowanych pod kątem aplikacji Internetu Rzeczy. Jest to przetwornica impulsowa DC-DC obniżająca napięcie, zdolna do dostarczenia do obciążenia prądu o maksymalnej wartości do 400 mA przy współpracy ze źródłem wejściowym o napięciu od 1,8 do 5,5 V, a więc typowo pojedynczym ogniwem litowo-jonowym, litowo-polimerowym lub dwoma bateriami.

ST1PS01 - konwerter dla elektroniki mobilnej i IoT
 
Tabela. Wersje i stan linii D0 i D1 a napięcie wyjściowe

ST1PS01 wyróżnia się wysoką sprawnością konwersji energii elektrycznej, która wynosi aż 94% i bardzo małym prądem pobieranym ze źródła bez obciążenia - rzędu 500 nA przy napięciu wejściowym 3,6 V. Dodatkowo napięcie wyjściowe można programować z wykorzystaniem dwóch linii cyfrowych, co umożliwia dynamiczne zarządzanie mocą z poziomu mikrokontrolera.

Zmiana może być dokonywana w locie, bo przetwornica ma szybką odpowiedź impulsową. Napięcie można ustawić w przedziale od 0,625 do 3,3 V, z tym, że 2 linie sterujące pozwalają na wybór czterech poziomów napięcia, a dodatkowo ST1PS01 jest dostępny w trzech wykonaniach o różnej kombinacji napięć. Razem daje to 12 kombinacji (patrz tabela).

Konwerter umieszczono w małej 8-pinowej obudowie typu flip-chip, a całe rozwiązanie też ma bardzo małe wymiary, gdyż do pracy wymagane jest dołączenie jedynie trzech elementów zewnętrznych: dławika 2,2 μH i dwóch kondensatorów. Obudowa ta ma raster wyprowadzeń 0,4 mm i wymiary 1,1× 1,4 mm, przez co całość zasilacza da się scalić na powierzchni kilkunastu milimetrów kwadratowych.

Sterownik konwertera ma wbudowany układ kontroli prądu szczytowego PCC (peak current control), dzięki czemu dławik może mieć niewielki prąd nasycenia i tym samym niewielkie wymiary. Tak mała zajętość miejsca na płytce pozwala na integrację układu w aplikacjach wearables (elektroniki noszonej), IoT, czujnikach, układach pomiarowych i innych urządzeniach zasilanych z akumulatorów, w których miejsca zawsze brakuje.

Funkcjonalność

 
Rys. 1. Schemat blokowy i elementy zewnętrzne ST1PS01

Prawidłowe działanie nadzorują układy ochronne zabezpieczające przed zwarciem i przeciążeniem. Jest też blokada działania przy zbyt niskim napięciu wejściowym (typ. 1,57 V), układ miękkiego startu, wyjście power good i inne. Poziom szumów i zakłóceń w napięciu wyjściowym też jest niski. Jakość stabilizacji napięcia to ±1,5%.

Podana średnia sprawność przetwarzania ST1PS01 przy dużym prądzie wyjściowym (400 mA) nieznacznie maleje do 92%, a przy małym prądzie, rzędu 1 mA, sięga aż 95%. Jest to rewelacyjny wynik dla przetwornicy małej mocy, gdyż zwykle zasilacze o małej mocy mają znacząco mniejszą sprawność od tych "większych" jednostek.

 
Rys. 2. Płytka ewaluacyjna STEVAL-1PS01EJR

Powodem jest to, że konwerter część energii zasilającej zużywa na własne potrzeby i przy małej mocy wyjściowej jej udział w całkowitym bilansie się zwiększa. Dla przetwornic 1-, 2-watowych 75% jest dobrym wynikiem a nierzadko układy mają sprawności 60-procentowe. I to zwykle są dane podawane dla najkorzystniejszego napięcia wejściowego, niczym dane na temat spalania w samochodach osobowych. W tym przypadku nawet gdy prąd wyjściowy jest bardzo mały, sprawność przekracza 90%, dlatego taki wynik można uznać za kamień milowy w rozwoju systemów zasilania.

Taka wartość to efekt sprowadzenia prądu spoczynkowego poniżej 500 nA, co jest niełatwe. Problemy zwykle sprawia źródło napięcia odniesienia, które powinno być dokładne i stabilne, a zagwarantować takie parametry jest niełatwo przy niskim poborze mocy. Konwerter realizuje też tryb oszczędnościowy przy małym obciążeniu lub bez obciążenia.

 
Rys. 3. Obudowa flip-chip 1,1×1,4 mm

Układ zawiera licznik impulsów sterujących oraz dwa szybkie komparatory sterujące jego działaniem, które realizują gubienie impulsów sterujących przy małym obciążeniu, przy jednocześnie utrzymanym niewielkim poziomie tętnień w napięciu wyjściowym. W ten sposób można zrealizować efektywne zasilanie dla aplikacji IoT nawet wówczas, gdy pobór prądu waha się w bardzo szerokim zakresie.

Bardzo mały prąd spoczynkowy daje też możliwość zasilania z wykorzystaniem aplikacji energy harvesting, czyli energią wolnodostępną. W tym przypadku pobór mocy przez konwerter ma decydujące znaczenie, bo gdy jest duży, dla obciążenia nic nie zostanie.

Dla konstruktorów przygotowano płytkę ewaluacyjną STEVAL-1PS01EJR, ułatwiającą testy, bo montaż obudowy flip-chip z rastrem 400 μm nie jest łatwy.

Zobacz również