|
便攜式電子設備尤其是可穿戴設備正在成為我們日常生活中不可或缺的一部分，這些設備讓我們的學習、工作、鍛煉、旅行、交流和監控等事情變得非常方便。比如在醫療應用中，可穿戴設備可用于監測心率、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備的關鍵指標。若要滿足這些指標通常需要在電路設計上進行一些權衡。例如，為了滿足特定的功耗目標，設計師通常不得不增加設備的尺寸。 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：為小尺寸高能效應用打開一扇窗 具有輕巧緊湊外形的可穿戴設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將其更換為可充電電池，可穿戴設備的成本就會增加。 電源管理集成電路 (Power Management IC，PMIC) 是一種高集成度電源產品，它將傳統的多路輸出電源封裝在一顆芯片內，從而以更小的體積在多電源應用場景中實現高效率，常用于以電池作為電源的裝置。當應用于可穿戴設備時，PMIC不僅優化了布局，還能最大化系統的能源效率，從而有效延長電池的使用壽命。 直流-直流 (DC-DC) 轉換器為電子產品中最常用的PMIC，因具有較高的轉換效率，近年來已經成為市場的主力。依據工作模式及儲能元件的不同，DC-DC轉換器又可分為線性穩壓器 (LDO) 、電感式降/升壓 (Buck/Boost) 開關DC-DC轉換器以及電容式開關DC-DC轉換器 (Switched Capacitor DC-DC Converter) 。這三種不同架構的DC-DC轉換器在物理尺寸、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； · 電容式開關穩壓器同樣可以完全集成且效率高，但電壓的可擴展性差； · 電感式開關穩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。 電容式開關穩壓器 (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動器 (Gate Drivers) 的合適選擇。然而，在可穿戴設備的電路中，沒有配備電荷泵在輸出特定電壓下所需的電流，因此，可穿戴設備大多選擇線性LDO和電感式開關穩壓器 (Buck/Boost) ，二者均能提供設計中所需的靈活的電源管理。 在可穿戴設備的設計中，是選擇線性LDO還是降/升壓拓撲，這其中也需要做一定的權衡。在傳統的開關穩壓器結構中，穩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。當然，也不是別無出路，我們還有另一種選擇。 基于單電感多輸出 (SIMO) 架構的PMIC采用單電感作為儲能元件，支持多路獨立的直流輸出。與傳統的DC-DC轉換器相比，SIMO電源轉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備提供了最佳方案。 
圖1：SIMO架構方框圖 (圖源：Maxim) Maxim SIMO PMIC方案：有效縮減IoT設備的電源尺寸 斷縮小電子產品尺寸、減少發熱并提升效率、延長電池壽命，使電子產品在消費者的生活中提供更完整的功能是系統設計者始終如一的追求。Maxim Integrated (Maxim) 有豐富的SIMO PMIC產品和方案，針對便攜式設備獨特的設計需求有專用的SIMO PMIC可供選擇，比如MAX77650和MAX77651。 這兩種產品采用微功耗SIMO升/降壓DC-DC轉換器設計，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，形成創新的電源管理方案，非常適用于小型Li+電池供電產品。
圖2：SIMO架構的MAX77650/1布局示意圖 (圖源：Maxim) 基于上述方案，Maxim不斷擴大其SIMO PMIC產品組合，隨后推出的MAX17270、MAX77278、MAX77640/MAX77641和MAX77680/MAX77681等一系列PMIC產品，更是將電源管理電路尺寸最大縮減了近一半，廣泛支持可穿戴設備、耳戴式設備、傳感器、智能家居等自動化控制中心以及物聯網 (IoT) 等空間受限產品。 TI 雙電源轉換器TPS65135：為AMOLED顯示提供電源驅動 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調節能力，這一特性非常必要，例如，可避免移動通信系統在傳輸階段產生的輸入電壓偏差對手機顯示的干擾。根據TI的應用筆記，這一特性主要源于SIMO拓撲，原理是這樣的： 在不連續傳導模式 (DCM) 中，傳輸到輸出端的電流由電感電流的峰值和斜率決定。如圖3所示，其中陰影區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。 因此，在放電時，輸入電壓的任何變化都會改變轉換器的占空比，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調節能力 (圖源：TI) TPS65135產品可用于從2.5V至5.5V范圍內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軌進行了優化，圖4為TPS65135在±5V AMOLED顯示電源中的典型應用。僅通過一個2.2μH電感，TPS65135在一個降壓－升壓拓撲結構中運行就可生成一個正輸出電壓和負輸出電壓。當輸出電流不匹配達到50%或更低，它可以通過降壓-升壓產生高達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功能將禁用設備。
圖4：TPS65135在±5V AMOLED顯示電源中的典型應用 (圖源：TI) 結語 薄、小、輕是可穿戴設備的物理要求，也是當今可穿戴技術限制電池壽命的主要原因。符合要求的傳統電池，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備的需求。延長電池壽命對于這類設備獲得市場認可至關重要。任何人都不希望智能穿戴設備的電池在幾個小時內用完。然而，電池復雜的內部結構會大大增加設備的尺寸和成本，給人們佩戴帶來不便。 為了使可穿戴設備能夠長時間運行、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備電池壽命的有效措施。SIMO PMIC解決方案既提高了設備的能源效率，較高的集成度還大幅縮減了電路板的尺寸，是電池供電設備電源管理的理想方案。 來源：貿澤電子 作者：Doctor M |
