用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的可穿戴設(shè)備和其他設(shè)備的電力傳輸環(huán)境非常復(fù)雜。由于需要盡可能節(jié)省能量，因此功耗變化很大。通常情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備大部分時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)，因?yàn)檫@樣可以提供最低的功耗 - 只有在需要進(jìn)行測(cè)量或傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)喚醒。即使喚醒模式之間的差異也很大。

例如，只有少數(shù)子系統(tǒng)可能需要喚醒才能從定期讀取傳感器的A/D轉(zhuǎn)換器讀取樣本。但是，當(dāng)通過(guò)無(wú)線鏈路（如Bluetooth Smart）發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從處理器到無(wú)線前端的大部分設(shè)備都需要處于活動(dòng)狀態(tài)并處于相對(duì)較高的功耗狀態(tài)。

雖然藍(lán)牙Smart具有降低整體能耗的功能，低功耗模式仍需要15 mA電流，高數(shù)據(jù)速率模式需要30 mW。支持這些不同模式的需要意味著PMIC需要能夠從超低能量靜態(tài)狀態(tài)快速切換到提供高電流幾毫秒的狀態(tài)，然后同樣快速地再次關(guān)閉系統(tǒng)。這對(duì)電力傳輸提出了嚴(yán)格的要求。

當(dāng)處理器從其最低功耗睡眠狀態(tài)之一轉(zhuǎn)移到活動(dòng)模式時(shí)，電流差異需要快速啟動(dòng)時(shí)間和電源傳輸子系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和集線器中使用的處理器在功耗方面也存在很大差異。盡管他們?cè)谒吣Ｊ较禄ㄙM(fèi)的時(shí)間更少，但為這些應(yīng)用設(shè)計(jì)的處理器通常使用動(dòng)態(tài)時(shí)鐘和電壓轉(zhuǎn)換策略，以便在此時(shí)將功耗調(diào)整到工作負(fù)載。因此，電流可能會(huì)有很大的變化，模式之間的轉(zhuǎn)換會(huì)很快發(fā)生。

圖1：典型通信的方框圖 - 基于TI功率和MCU組件的中心物聯(lián)網(wǎng)或可穿戴設(shè)備。

快速瞬態(tài)響應(yīng)的要求可以擴(kuò)展傳統(tǒng)的基于脈沖寬度調(diào)制的DC/DC轉(zhuǎn)換器閉環(huán)控制策略的功能（PWM ）。通常，PWM電路從參考電壓中減去轉(zhuǎn)換器輸出電壓的縮放版本以建立小的誤差信號(hào)。將該誤差信號(hào)與由振蕩器驅(qū)動(dòng)的常規(guī)斜坡信號(hào)進(jìn)行比較，該振蕩器通常以固定頻率運(yùn)行。比較器輸出一個(gè)操作電源開(kāi)關(guān)的數(shù)字輸出。

當(dāng)電路輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，誤差信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致比較器閾值發(fā)生變化。因此，輸出脈沖寬度也會(huì)改變。此占空比變化然后移動(dòng)輸出電壓以將誤差信號(hào)減小到零，從而完成控制環(huán)路。

基本PWM策略有許多優(yōu)點(diǎn)，但為了確保穩(wěn)定性，閉環(huán)控制帶寬為通常保持在相對(duì)較低的頻率 - 通常比PWM開(kāi)關(guān)頻率低十倍。因此，瞬態(tài)響應(yīng)可能會(huì)受到影響。

滯后控制提供了一種響應(yīng)速度更快的替代方案。最簡(jiǎn)單的形式是不使用PWM，控制器是兩個(gè)輸入端之間具有小滯后的比較器。一個(gè)輸入是轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，另一個(gè)是電壓參考。當(dāng)輸出電壓因負(fù)載需求上升而下降時(shí)，比較器將產(chǎn)生一個(gè)高輸出信號(hào)，激活主輸出晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)器，為負(fù)載供電。這將提高輸出電壓，直到它超過(guò)參考值所允許的滯后量。降壓比較器輸出然后關(guān)閉柵極驅(qū)動(dòng)器。

通過(guò)任何環(huán)路比較或誤差放大器來(lái)減慢信號(hào)，輸出電壓變化之間的延遲僅是通過(guò)比較器的傳播速度和門(mén)司機(jī)。因此，遲滯控制策略提供非常快速的瞬態(tài)響應(yīng)。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是滯后控制自然支持負(fù)載電流的廣泛變化，從亞毫安范圍到超過(guò)1的峰值。

圖2：遲滯功率控制器的電路圖

這種靈活性是以開(kāi)關(guān)頻率的巨大變化為代價(jià)的，這可能導(dǎo)致電磁兼容性（EMC）問(wèn)題并導(dǎo)致諧振電源網(wǎng)絡(luò)周圍的無(wú)源電路。輸出電壓的精度也可能降低，這對(duì)于當(dāng)今的電壓敏感微控制器和傳感器來(lái)說(shuō)可能是個(gè)問(wèn)題。

混合轉(zhuǎn)換器混合使用這兩種策略，滯后比較器用于控制輸出典型的深度和低度睡眠模式下的低負(fù)載導(dǎo)軌，一旦負(fù)載電流超過(guò)設(shè)定的閾值，就會(huì)進(jìn)入傳統(tǒng)的PWM模式，以提供高效率和可預(yù)測(cè)的頻率響應(yīng)。該策略的一個(gè)示例是由德州儀器（Texas Instruments）制造的LM2650M同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，其工作在3A至毫安負(fù)載范圍。該器件還具有邏輯控制關(guān)斷模式，其輸入電源最多可吸收25μA電流。

LM2650采用固定頻率PWM和同步整流，可在較高負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高效率。在許多應(yīng)用中，對(duì)于大約1 A的負(fù)載，效率超過(guò)95％，對(duì)于從0.2 A到2 A的中等到重負(fù)載，效率超過(guò)90％。在較低負(fù)載下，器件進(jìn)入遲滯“睡眠”模式。當(dāng)負(fù)載超過(guò)單獨(dú)編程的電流閾值時(shí)，LM2650會(huì)自動(dòng)進(jìn)入和退出休眠模式，以便使用外部電阻為模式開(kāi)關(guān)本身提供一定程度的遲滯。

在遲滯模式下，LM2650使用一個(gè)內(nèi)置磁滯為30 mV的比較器，中心電壓為1.25 V.由于遲滯模式僅在低負(fù)載下工作，因此開(kāi)關(guān)頻率在幾赫茲到幾千赫茲的數(shù)量級(jí)?？蛇x的軟啟動(dòng)功能可在啟動(dòng)時(shí)限制輸入電源的電流浪涌，并提供對(duì)多個(gè)電源進(jìn)行排序的簡(jiǎn)單方法。

在噪聲和遲滯模式操作的功耗節(jié)省之間存在權(quán)衡。為固定頻率的EMC目的過(guò)濾更容易。因此，邏輯輸入允許用戶覆蓋自動(dòng)休眠功能，并將LM2650保持在PWM模式，而不管負(fù)載水平如何。

專為低噪聲物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（如健身可穿戴設(shè)備）而設(shè)計(jì)，TI TPS65720可以也可以使用內(nèi)置I 2 C接口提供的命令在低功耗遲滯模式下工作或強(qiáng)制進(jìn)入固定頻率PWM模式。然而，如果系統(tǒng)不對(duì)噪聲敏感的模擬輸入進(jìn)行采樣或操作無(wú)線電接口，那么低噪聲性能在低功耗模式下可能不是一個(gè)問(wèn)題 - 來(lái)自本地高頻干擾的能量尖峰可能很重要。無(wú)論何時(shí)需要對(duì)噪聲敏感的操作，通過(guò)使用系統(tǒng)軟件強(qiáng)制器件進(jìn)入低噪聲PWM模式，設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的整體能效。

PWM模式運(yùn)行于2.25 MHz允許使用比核心開(kāi)關(guān)頻率更低的DC/DC轉(zhuǎn)換器更小的電感器和電容器。結(jié)果是，如果典型的0402封裝用于電阻器和電容器，則外部元件的總占位面積可以減小到小于11 mm 2 的面積。高頻還提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)。開(kāi)關(guān)頻率允許使用高Q帶通濾波器來(lái)抑制寄生頻率。

該IC還提供200 mA低壓降穩(wěn)壓器（LDO）輸出，其輸入電壓范圍為1.8和5.6 V，允許它從降壓轉(zhuǎn)換器的輸出或直接從系統(tǒng)電壓供電。對(duì)于器件僅運(yùn)行最基本功率要求的情況，IC支持小于1μA的關(guān)斷電流，例如為倒計(jì)時(shí)到下一個(gè)傳感器輸入采樣周期的實(shí)時(shí)時(shí)鐘供電。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們可以期待更加關(guān)注DC/DC轉(zhuǎn)換器中低功耗模式的瞬態(tài)性能和效率，但德州儀器的LM2650和TPS65720等器件為這類設(shè)計(jì)提供了有效的支持。