電源管理集成電路為小尺寸高能效應(yīng)用打開一扇窗

便攜式電子設(shè)備尤其是可穿戴設(shè)備正在成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，這些設(shè)備讓我們的學(xué)習(xí)、工作、鍛煉、旅行、交流和監(jiān)控等事情變得非常方便。比如在醫(yī)療應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備可用于監(jiān)測心率、血壓、血氧水平、運動期間消耗的卡路里、睡眠跟蹤等。

為了提供更好的用戶體驗，高性能、小尺寸和低功耗是這些可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)。若要滿足這些指標(biāo)通常需要在電路設(shè)計上進行一些權(quán)衡。例如，為了滿足特定的功耗目標(biāo)，設(shè)計師通常不得不增加設(shè)備的尺寸。

那么，有沒有辦法能夠做到既不增加這些電池供電設(shè)備的尺寸，又能有效延長電池的壽命呢？答案是：有！

SIMO PMIC：為小尺寸高能效應(yīng)用打開一扇窗

具有輕巧緊湊外形的可穿戴設(shè)備通常使用的是微型電池。盡管在過去十年中電池的容量有所提高，但儲存的電量在有限的一段時間后會迅速耗盡。因此，需要定期更換電池或?qū)⑵涓鼡Q為可充電電池，可穿戴設(shè)備的成本就會增加。

電源管理集成電路（Power Management IC，PMIC）是一種高集成度電源產(chǎn)品，它將傳統(tǒng)的多路輸出電源封裝在一顆芯片內(nèi)，從而以更小的體積在多電源應(yīng)用場景中實現(xiàn)高效率，常用于以電池作為電源的裝置。當(dāng)應(yīng)用于可穿戴設(shè)備時，PMIC不僅優(yōu)化了布局，還能最大化系統(tǒng)的能源效率，從而有效延長電池的使用壽命。

直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器為電子產(chǎn)品中最常用的PMIC，因具有較高的轉(zhuǎn)換效率，近年來已經(jīng)成為市場的主力。依據(jù)工作模式及儲能元件的不同，DC-DC轉(zhuǎn)換器又可分為線性穩(wěn)壓器（LDO）、電感式降/升壓（Buck/Boost）開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器以及電容式開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器（Switched Capacitor DC-DC Converter）。這三種不同架構(gòu)的DC-DC轉(zhuǎn)換器在物理尺寸、靈活性和效率方面存在著一些差異，其中：

LDO可以完全集成且電壓可擴展性好，但效率不高；

電容式開關(guān)穩(wěn)壓器同樣可以完全集成且效率高，但電壓的可擴展性差；

電感式開關(guān)穩(wěn)壓器效率非常高且電壓具有可擴展性，缺點是不能完全集成。

電容式開關(guān)穩(wěn)壓器（也稱為電荷泵）其輸出電壓可擴展性極其有限。通常，電荷泵被認為是柵極驅(qū)動器（Gate Drivers）的合適選擇。然而，在可穿戴設(shè)備的電路中，沒有配備電荷泵在輸出特定電壓下所需的電流，因此，可穿戴設(shè)備大多選擇線性LDO和電感式開關(guān)穩(wěn)壓器（Buck/Boost），二者均能提供設(shè)計中所需的靈活的電源管理。

在可穿戴設(shè)備的設(shè)計中，是選擇線性LDO還是降/升壓拓撲，這其中也需要做一定的權(quán)衡。在傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)壓器的每路輸出都需要一個獨立電感，這些電感往往體積大、成本高，不利于實現(xiàn)小尺寸封裝。為減小尺寸，人們常常會選擇緊湊和低噪聲的LDO，但LDO的損耗又比較大。當(dāng)然，也不是別無出路，我們還有另一種選擇?；趩坞姼卸噍敵觯⊿IMO）架構(gòu)的PMIC采用單電感作為儲能元件，支持多路獨立的直流輸出。與傳統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，SIMO電源轉(zhuǎn)換器通過單電感提供多路輸出，將原本需要多個分立元件的功能集成到較小封裝，在節(jié)省空間的同時仍然保持高效率，為要求延長電池壽命的小尺寸設(shè)備提供了最佳方案。

圖1：SIMO架構(gòu)方框圖（圖源：Maxim）

Maxim SIMO PMIC方案：有效縮減IoT設(shè)備的電源尺寸

不斷縮小電子產(chǎn)品尺寸、減少發(fā)熱并提升效率、延長電池壽命，使電子產(chǎn)品在消費者的生活中提供更完整的功能是系統(tǒng)設(shè)計者始終如一的追求。Maxim Integrated（Maxim）有豐富的SIMO PMIC產(chǎn)品和方案，針對便攜式設(shè)備獨特的設(shè)計需求有專用的SIMO PMIC可供選擇，比如MAX77650和MAX77651。

這兩種產(chǎn)品采用微功耗SIMO升/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計，集成150mA LDO為噪聲敏感電路供電。在MAX77650/MAX77651中，SIMO利用單個電感提供三路獨立的可編程電壓輸出，形成創(chuàng)新的電源管理方案，非常適用于小型Li+電池供電產(chǎn)品。

圖2：SIMO架構(gòu)的MAX77650/1布局示意圖（圖源：Maxim）

基于上述方案，Maxim不斷擴大其SIMO PMIC產(chǎn)品組合，隨后推出的MAX17270、MAX77278、MAX77640/MAX77641和MAX77680/MAX77681等一系列PMIC產(chǎn)品，更是將電源管理電路尺寸最大縮減了近一半，廣泛支持可穿戴設(shè)備、耳戴式設(shè)備、傳感器、智能家居等自動化控制中心以及物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等空間受限產(chǎn)品。

TI 雙電源轉(zhuǎn)換器TPS65135：為AMOLED顯示提供電源驅(qū)動

TPS65135器件是由Texas Instruments（TI）公司提供的一款高效的分離軌電源。該轉(zhuǎn)換器具有單電感器和多輸出（SIMO）拓撲，因此使用的外部組件極少。該器件采用降壓/升壓拓撲，并生成高于或低于輸入電源電壓的正負輸出電壓。TI稱TPS65135擁有良好的線路瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力，這一特性非常必要，例如，可避免移動通信系統(tǒng)在傳輸階段產(chǎn)生的輸入電壓偏差對手機顯示的干擾。根據(jù)TI的應(yīng)用筆記，這一特性主要源于SIMO拓撲，原理是這樣的：在不連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）中，傳輸?shù)捷敵龆说碾娏饔呻姼须娏鞯姆逯岛托甭蕸Q定。如圖3所示，其中陰影區(qū)域顯示的平均輸出電流對于不同的輸入電壓是相同的。因為轉(zhuǎn)換器使用峰值電流模式控制，所以只要負載電流固定，峰值電流就固定。電感電流的下降斜率由正負輸出電壓與電感值之間的差值給出，與輸入電壓無關(guān)。因此，在放電時，輸入電壓的任何變化都會改變轉(zhuǎn)換器的占空比，但不會改變電感電流的峰值或斜率。因此，面積A給出的平均輸出電流在任何輸入電壓變化下都保持不變。

圖3：TPS65135具備固有的良好線路瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力（圖源：TI）

TPS65135產(chǎn)品可用于從2.5V至5.5V范圍內(nèi)的輸入電源電壓生成分流軌電源，并針對單電池鋰離子電池的3.3 V軌進行了優(yōu)化，圖4為TPS65135在±5V AMOLED顯示電源中的典型應(yīng)用。僅通過一個2.2μH電感，TPS65135在一個降壓－升壓拓撲結(jié)構(gòu)中運行就可生成一個正輸出電壓和負輸出電壓。當(dāng)輸出電流不匹配達到50%或更低，它可以通過降壓-升壓產(chǎn)生高達6V的正輸出電壓和低至-7V的負電壓（即輸入電源電壓可能高于或低于正輸出電壓）。兩個輸出都由EN引腳控制：高邏輯電平時啟用兩個輸出，低邏輯電平時禁用它們。當(dāng)輸入電源電壓過低，無法正常工作時，集成的UVLO功能將禁用設(shè)備。

圖4：TPS65135在±5V AMOLED顯示電源中的典型應(yīng)用（圖源：TI）

結(jié)語

薄、小、輕是可穿戴設(shè)備的物理要求，也是當(dāng)今可穿戴技術(shù)限制電池壽命的主要原因。符合要求的傳統(tǒng)電池，如鋰離子硬幣電池，可能適合傳感器和其他低功耗可穿戴設(shè)備，但它們難以滿足健身帶和智能手表等功能更強的可穿戴設(shè)備的需求。延長電池壽命對于這類設(shè)備獲得市場認可至關(guān)重要。任何人都不希望智能穿戴設(shè)備的電池在幾個小時內(nèi)用完。然而，電池復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會大大增加設(shè)備的尺寸和成本，給人們佩戴帶來不便。

為了使可穿戴設(shè)備能夠長時間運行、能量收集、電池管理、電源管理和低功耗解決方案都是延長可穿戴設(shè)備電池壽命的有效措施。SIMO PMIC解決方案既提高了設(shè)備的能源效率，較高的集成度還大幅縮減了電路板的尺寸，是電池供電設(shè)備電源管理的理想方案。

原文標(biāo)題：可穿戴設(shè)備電源設(shè)計難？那是因為你還不熟悉SIMO PMIC

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