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)備大部分時間都處于睡眠狀態(tài)，因為這樣可以提供最低的功耗 - 只有在需要進(jìn)行測量或傳輸數(shù)據(jù)時才會喚醒。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)通過無線鏈路（如Bluetooth Smart）發(fā)送數(shù)據(jù)時，從處理器到無線前端的大部分設(shè)備都需要處于活動狀態(tài)并處于相對較高的功耗狀態(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)移到活動模式時，電流差異需要快速啟動時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。盡管他們在睡眠模式下花費的時間更少，但為這些應(yīng)用設(shè)計的處理器通常使用動態(tài)時鐘和電壓轉(zhuǎn)換策略，以便在此時將功耗調(diào)整到工作負(fù)載。因此，電流可能會有很大的變化，模式之間的轉(zhuǎn)換會很快發(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。將該誤差信號與由振蕩器驅(qū)動的常規(guī)斜坡信號進(jìn)行比較，該振蕩器通常以固定頻率運行。比較器輸出一個操作電源開關(guān)的數(shù)字輸出。

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

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

滯后控制提供了一種響應(yīng)速度更快的替代方案。最簡單的形式是不使用PWM，控制器是兩個輸入端之間具有小滯后的比較器。一個輸入是轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，另一個是電壓參考。當(dāng)輸出電壓因負(fù)載需求上升而下降時，比較器將產(chǎn)生一個高輸出信號，激活主輸出晶體管的柵極驅(qū)動器，為負(fù)載供電。這將提高輸出電壓，直到它超過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)動器。

通過任何環(huán)路比較或誤差放大器來減慢信號，輸出電壓變化之間的延遲僅是通過比較器的傳播速度和門司機(jī)。因此，遲滯控制策略提供非?？焖俚乃矐B(tài)響應(yīng)。另一個優(yōu)點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

這種靈活性是以開關(guān)頻率的巨大變化為代價的，這可能導(dǎo)致電磁兼容性（EMC）問題并導(dǎo)致諧振電源網(wǎng)絡(luò)周圍的無源電路。輸出電壓的精度也可能降低，這對于當(dāng)今的電壓敏感微控制器和傳感器來說可能是個問題。

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)載電流超過設(shè)定的閾值，就會進(jìn)入傳統(tǒng)的PWM模式，以提供高效率和可預(yù)測的頻率響應(yīng)。該策略的一個示例是由德州儀器（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)載下實現(xiàn)高效率。在許多應(yīng)用中，對于大約1 A的負(fù)載，效率超過95％，對于從0.2 A到2 A的中等到重負(fù)載，效率超過90％。在較低負(fù)載下，器件進(jìn)入遲滯“睡眠”模式。當(dāng)負(fù)載超過單獨編程的電流閾值時，LM2650會自動進(jìn)入和退出休眠模式，以便使用外部電阻為模式開關(guān)本身提供一定程度的遲滯。

在遲滯模式下，LM2650使用一個內(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，因此開關(guān)頻率在幾赫茲到幾千赫茲的數(shù)量級?？蛇x的軟啟動功能可在啟動時限制輸入電源的電流浪涌，并提供對多個電源進(jìn)行排序的簡單方法。

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目的過濾更容易。因此，邏輯輸入允許用戶覆蓋自動休眠功能，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，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)不對噪聲敏感的模擬輸入進(jìn)行采樣或操作無線電接口，那么低噪聲性能在低功耗模式下可能不是一個問題 - 來自本地高頻干擾的能量尖峰可能很重要。無論何時需要對噪聲敏感的操作，通過使用系統(tǒng)軟件強(qiáng)制器件進(jìn)入低噪聲PWM模式，設(shè)計人員可以優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的整體能效。

PWM模式運行于2.25 MHz允許使用比核心開關(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)。開關(guān)頻率允許使用高Q帶通濾波器來抑制寄生頻率。

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。對于器件僅運行最基本功率要求的情況，IC支持小于1μA的關(guān)斷電流，例如為倒計時到下一個傳感器輸入采樣周期的實時時鐘供電。

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)計提供了有效的支持。