升壓轉換器通常用于提高便攜式和可穿戴設備中的電池電壓。然而，它們表現出的行為會對光學傳感應用中的信噪比（SNR）產生負面影響。在本設計解決方案中，我們解釋了為什么會發生這種情況，然后介紹一種使用PMIC的新型電源管理，該PMIC具有升壓轉換器，專門設計用于在光學檢測應用中最大化SNR。

介紹

在你對可穿戴設備的圣杯的不懈追求中，即更長的電池壽命，你有沒有考慮過 您正在使用的節能技術實際上可能對 設備設計用于的功能？具有諷刺意味的是，是的，但這只是隨著可穿戴設備的激增。 我們已經開始更好地了解他們何時以及如何消耗電池電量。這種理解正在導致新的 可以改進普遍接受的節能方法的技術。在此設計解決方案中，我們回顧了 目前在光學傳感應用中管理電池電壓的方式以及這種方法的注意事項。 然后，我們考慮使用克服這些限制的新型PMIC的優勢，從而提高傳感器性能。 同時降低功耗。

光學傳感

光學傳感器通常用于測量心率和血氧合（SpO）等健康指標2). 這些測量基于一種稱為光電容積脈搏波（PPG）的技術。PPG 信號由下式獲得 使用發光二極管照亮皮膚并檢測反射光強度的變化（圖2） 使用光電二極管，其產生與接收光量成比例的電流。

圖2.使用 LED 和光電二極管的 PPG 信號。

進行精確測量所需的光脈沖數量和強度將取決于以下用例： 特定時間。例如，當佩戴者從事劇烈的體能活動時，測量更具挑戰性 活動比睡眠期間。佩戴者的環境條件和皮膚色素沉著也會影響LED電流。

電池管理

由于某些類別的鋰電池（范圍從3.2V到4.35V）用作電源，因此升壓 （或降壓-升壓）DC-DC轉換器用于將電池電壓增加到任何標稱輸出電壓（VOUT_NOM) 在重負載操作（通常為 5V）期間，光學傳感器需要。由于電池壽命至關重要，因此 重要的是轉換器具有低靜態電流消耗（IQ).為了在照明時節省電力 在負載條件下，這些轉換器在通常稱為“突發模式”的情況下工作。對于較重的負載， 轉換器轉換到“連續電流”工作模式。兩種工作模式如圖 3 所示。

圖3.升壓轉換器的輕負載和重負載條件。

突發模式是一種常用的電源架構，用于在輕負載條件下節省能源。但是，它可能會導致 用于光學傳感應用時的問題，如以下各節所述。

突發模式紋波

輸出電壓上的紋波（VOUT_BST） 既是低頻又是高振幅。高振幅紋波原因 LED光脈沖不一致，導致測量不一致，而低紋波頻率足夠接近 到光學傳感器的采樣頻率，有效地成為“帶內”噪聲源，而“帶內”噪聲源不能 被傳感器充分剔除。突發模式紋波 （120mV， 1.6kHz），適用于負載電流為 10mA如圖4所示。

圖4.具有10mA負載電流的升壓轉換器的突發模式電壓紋波。

過渡之間不可預測的噪聲

有時，當轉換器在LED脈沖期間從輕負載操作過渡到重負載操作時，不可預測 輸出電壓上可能會出現噪聲，如圖5所示。這再次導致可變的 LED 電流， 可能導致測量不可靠。

圖5.模式之間轉換期間的噪聲。

對負載瞬變的響應緩慢

LED光脈沖的典型持續時間約為數百微秒。因此，對于一致的 LED 脈沖電流，響應負載瞬變時的建立時間必須盡可能短（<<117μs）。圖6顯示，典型升壓轉換器的瞬態響應時間可高達50μs， 這是LED光脈沖持續時間的重要組成部分。

圖6.模式轉換的響應時間。

由緩慢瞬態響應引起的問題如圖7所示，瞬態幾乎沒有消失 單脈沖持續時間的結束。

圖7.對單脈沖持續時間的負載瞬變響應緩慢。

用于光學傳感器的升壓轉換器

顯然，一些升壓轉換器表現出突發模式行為，這給光學檢測應用帶來了問題。 圖8所示的PMIC包括一個降壓-升壓轉換器，旨在克服這些問題。

圖8.MAX20345帶降壓-升壓轉換器的PMIC。

如圖9所示，該器件降壓-升壓轉換器的輕負載紋波幅度要低得多。 （≤ 20mV），確保輕負載LED電流比其他轉換器更一致。它還以更高的 給定負載下的頻率。例如，當負載低至5mA時，開關頻率超過100kHz。這 更高的工作頻率有助于防止開關噪聲干擾測量信號。

圖9.較低幅度降壓-升壓轉換器的突發模式紋波（MAX20345）。

其次，對負載瞬變的響應時間（<3μs）明顯低于LED脈沖持續時間（117μs）和 是前面顯示的轉換器的一個數量級改進。這種更快的響應意味著負載瞬態 降壓-升壓的響應時間不會限制光學系統測量的總體設置時間。重要地 對于該轉換器，負載瞬態響應時間和紋波特性是一致的，并且 可在脈沖之間重復。

如表1所示，當使用傳統的突發模式轉換器為MAX86140光脈搏血氧儀和心率傳感器供電時，與理想值相比，傳感器的SNR性能下降高達7dB。 實驗室條件（89分貝）。值得注意的是，當由該PMIC上的新型降壓-升壓轉換器供電時，傳感器的 信噪比性能接近理想的實驗室條件。

表 1.MAX86140的未濾波信噪比性能（dB）

與降壓-升壓穩壓器一起，該PMIC還具有三個降壓穩壓器和三個低壓差（LDO） 線性穩壓器，提供多達七個穩壓電壓，每個穩壓具有超低靜態電流。這允許PMIC為多個外設和傳感器（包括MAX86140光學AFE）供電，包括 典型可穿戴設備設計中的微控制器，如圖10所示。PMIC 采用 56 凸塊， 0.4mm 間距，3.37mm x 3.05mm 晶圓級封裝 （WLP）。

圖 10.帶有降壓-升壓穩壓器的PMIC為多個外設、傳感器和微控制器供電。

總結

在這個設計解決方案中，我們回顧了可穿戴設備中的光學傳感器如何測量心臟等健康指標。 速率和血液氧合。這些傳感器需要比鋰離子電池提供的電壓更高的電壓，需要 升壓轉換器。但是，典型的“突發模式”升壓轉換器可能會表現出對SNR產生負面影響的行為 這些傳感器的性能。然后，我們介紹了一種新型電源管理解決方案，使用具有降壓-升壓功能的PMIC。 專為光學傳感應用設計的轉換器。降壓-升壓轉換器的使用極大地改善了 可穿戴設備和其他物聯網應用的信噪比性能。

審核編輯：郭婷