抢占电动滑板车、电动自行车及其他位置跟踪IoT的电源设计挑战先机

2020年4月14日

Roger Yeung  作者: Roger Yeung
 Maxim Integrated移动方案事业部执行业务经理 

爱也好,恨也好,电动滑板车现在已经成为全球各个城市的一道风景线。这种两轮车已经不仅仅是儿童玩具,而被认为是连接“最后一公里”的有效途径,比如地铁和办公室之间。同样,共享电动自行车也大幅增加。

电动滑板车和电动自行车都具有导航定位功能,使消费者能够找到距离最近的可用车辆。当然,它们只是具有位置跟踪功能的新型移动或可穿戴IoT产品的例子。

据Gartner预测, 到2020年全球将拥有204亿部IoT设备, 而Business Insider提供的数据则更高,预测到2025年将拥有超过640亿部IoT设备. 连接到互联网的小型设备或物件还包括宠物和人员跟踪器、行李和防盗装置。

在这些空间受限的产品中增加位置跟踪能力,电源管理尤其具有挑战性。我们在本文主要讨论电源的设计挑战,以及如何克服。

Location Tracking Chips Design Enabling e-Scooter Navigation图1. 电动滑板车和其他位置跟踪IoT设备为电源管理设计提出了挑战,单电感多输出(SIMO)电源架构是这类设计的有效方案。

GNSS的供电要求

任何低功耗应用都面临以下严峻挑战:

  • 小尺寸PCB面积
  • 管理散热
  • 延长电池寿命
  • 应对噪声影响
  • 多电源轨
  • 快速上市

将导航功能增加到设备中,必须满足不同制式的 全球导航卫星系统(GNSS) 较宽范围的供电要求。在美国使用全球定位系统(GPS),欧洲有Galileo,日本有QZSS,俄罗斯有GLONASS。GNSS发出的卫星广播消息(L1信号)包括卫星的识别签名码、位置以及时间。接收器凭借该信号,利用收到的至少3-4颗卫星信号确定位置、计算距离。整个过程可能需要数秒(热启动条件下)到数分钟(冷启动)时间不等。GPS是公认的电老虎,与用户设计的低功耗设备需求相悖。

热启动操作的优势显而易见,而我们在此讨论的产品的位置跟踪功能将持续不断地消耗大量电池能量,因为这是一项计算密集型工作。在Quora上,Google的一名软件工程师是这样回答关于智能手机上GPS和电池使用情况的问题的:

“支持GPS功能的代价非常大,因为它是一个非常慢的通信通道——需要长时间与3、4颗卫星进行通信,速率为50比特每秒。不同于其他通信机制中的时分方法,它需要在任何通信期间保持天线供电。更糟的是,当GPS打开时,系统无法进入休眠状态。Android和iPhone等移动设备之所以能够实现其电池续航时间,很大程度上是因为能够非常有效地快速进入或退出休眠状态。GPS则阻碍了这种操作。

许多手机为了提高定位精度,同时支持GLONASS和GPS定位。但是,一般只有在GPS信号弱时才激活GLONASS——延长手机电池寿命的一种方法。

尽可能避免笨重电感

那么,如何在降低小尺寸IoT设备功耗的同时仍然支持连续、高精度的位置跟踪呢?您的电源转换器架构能够起到一定作用。放弃传统的多路独立DC-DC的方案,考虑使用 单电感多输出(SIMO)电源转换器架构。SIMO架构通过减少传统方案中笨重、昂贵的电感数量,节省了空间并提高效率,可有效延长电池寿命。

MAX77654超低功耗电源管理IC是Maxim SIMO产品线中的最新方案之一,器件集成了1个SIMO升/降压调节器、2路低压差稳压器(LDO)和1路可高度可配置的线性充电器。图2所示为MAX77654方框图。器件的升/降压调节器提供高达500mA的总输出电流,所有SIMO通道的输出电压范围为0.8V至5.5V。500mA输出电流对于此处讨论的问题至关重要。因为位置跟踪设备通过接入更多卫星来消除死区,需要更大的计算量,从而要求如此大的输出电流。MAX77654还具有如下特性,非常适合位置跟踪设备,例如耳戴式设备、可穿戴设备及其他小尺寸IoT应用:

  • 低功耗(6µA @ 使能3路SIMO通道和2路LDO时)
  • 高效率(降压模式下高达91%)
  • 小尺寸(2.79mm x 2.34mm x 0.5mm)

MAX77654 SIMO PMIC diagram of location-tracking chips IoT devices like e-bikes and e-scooters图2. MAX77654方框图。

利用单一芯片即可覆盖终端设备上多路电源轨的要求!当您规划下一款位置跟踪或其他小尺寸IoT设备时,可以借助SIMO电源转换器架构达到您的设计目标。