用于實現(xiàn)高效電池自治的電源管理IC

設備的電源優(yōu)化取決于 IC 的正確選擇，這決定了有效的電池續(xù)航時間

許多功能共同構成了一個有用的可穿戴設備。外形、設計和能源效率對于實現(xiàn)不僅能正確完成工作而且舒適、有吸引力且易于使用的設備至關重要，為提高我們的生產力、健康和生活方式提供了新的方法。始終在線的可穿戴和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備設計人員的目標是在縮小外形尺寸的同時延長電池運行時間，這可以通過微型、高度集成的電源管理 IC (PMIC) 來實現(xiàn)。

可穿戴設備中的光學傳感精度也是一個大問題，它受到多種技術因素的影響，包括 PMIC 的選擇。超低功耗 PMIC 集成電路架構，可優(yōu)化健康應用的光學測量靈敏度。例如，新的 PMIC 為腕戴式外形尺寸的光學傳感提供了最高靈敏度，以實現(xiàn)更準確的生命體征測量。

近年來，流通中的可穿戴傳感器的數(shù)量呈指數(shù)增長。這是由于各種因素造成的，從醫(yī)療保健費用的增加到“健康狂熱者”的增長——一種以對健康著迷的生活方式。此外，多虧了互聯(lián)網(wǎng)，消費者現(xiàn)在可以輕松且?guī)缀鯚o限制地訪問有關其健康的信息。在可穿戴醫(yī)療領域設計可靠的解決方案需要可靠的電子設備。耳戴式設備和智能手表等設備所需的高功能涉及更高的能源消耗。

反過來，封裝更小更薄的持續(xù)趨勢需要新一代集成電源管理電路來促進充電。適合可穿戴技術的傳統(tǒng)電池，例如鋰離子 (Li-ion) 電池，可能適用于傳感器和其他低功率需求的可穿戴設備，但它們難以跟上最高性能的可穿戴要求，例如語音和手勢識別、監(jiān)控和傳感。

可穿戴設備的印刷電路板 (PCB) 設計需要在材料選擇和符合電磁兼容性要求的正確布局方面進行大量考慮?？纱┐?PCB 需要更緊密的阻抗控制，這是布局的基本要素，可實現(xiàn)更清晰的信號傳播。

PMIC架構

典型的可穿戴設備架構包括片上系統(tǒng) (SoC)、內存、顯示器、傳感器和電源管理模塊。典型的電源管理系統(tǒng)包括充電器、各種降壓轉換器和用于藍牙/Wi-Fi 連接的低壓降穩(wěn)壓器 (LDO)。例如，在智能手表中，設計挑戰(zhàn)本質上是耗散管理和電池大小。

大多數(shù)系統(tǒng)都需要充電器和各種針對常見電路功能進行調節(jié)的輸出——例如，用于微控制器和通信協(xié)議的 3.3V 和 1.2V 電源總線。

PMIC 中高度可配置的集成線性加載器支持各種鋰離子電池，并包括電池溫度監(jiān)控以提高安全性。雙向 I 2 C 接口允許設計人員配置和監(jiān)控設備狀態(tài)。PMIC 的架構還包括一個具有監(jiān)控功能的控制器。

具有降壓和升壓轉換器的電源系統(tǒng)效率最高。低電壓、低壓差線性穩(wěn)壓器是低噪聲設備的首選，但能效可能是一個關鍵因素。最佳供電系統(tǒng)的代表是專用開關電源。這種方法的缺點是每個開關都需要一個電感，從而增加了 PCB 空間和可穿戴設備的尺寸。

因此，該電路需要一個單一的電源管理解決方案，使用單輸入多輸出 (SIMO) 架構集成各種電源總線。通過提供多個輸出，SIMO 方法與控制器的低待機電流一起延長了可穿戴設計的電池壽命。穩(wěn)壓器以最小的損失提供能量，該架構消除了一些重復的組件，同時節(jié)省了材料清單。

一個例子是 Maxim Integrated 的 MAX20310，這是一種集成電源管理電路，它結合了兩個 SIMO 降壓-升壓輸出和兩個 LDO 以及其他電源管理功能，例如排序控制器。線性穩(wěn)壓器還可以用作電源開關，可以斷開系統(tǒng)外圍設備的非活動負載（圖 1）以提高效率。

圖 1：MAX20310 的框圖。（圖片：Maxim Integrated）

光感測精度

在可穿戴設備中，光學測量的精度受到各種用戶獨有的生物因素和設計性質的影響，與電源電壓的穩(wěn)定性有關。設計人員努力提高光學系統(tǒng)在信噪比 (SNR) 方面的靈敏度，以涵蓋廣泛的應用。使用低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器會導致設計妥協(xié)，在紋波或長穩(wěn)定時間方面降低 SNR。

一種解決方案是高度集成的 PMIC，例如 Maxim 的 MAX20345，它具有升降壓穩(wěn)壓器，在高頻??時具有低紋波，不會干擾心率、血氧 (SpO 2 ) 和葡萄糖水平等測量值。

更高精度的測量可以幫助患者做出更明智的選擇。例如，實時血糖水平可以幫助他們更好地決定他們全天所需的食物類型、體育活動和藥物。

心率的光學測量是使用光體積描記法 (PPG) 完成的，這是一種測量動脈血容量的光學技術。根據(jù)測量條件，控制器最多可將性能提高 7 dB。

MAX20345 PMIC 集成了一個鋰離子電池充電器和六個穩(wěn)壓器，每個穩(wěn)壓器都具有約 500 nA 的超低靜態(tài)電流（圖 2）。三個高效同步降壓穩(wěn)壓器使用脈沖頻率調制 (PFM) 控制方案。這些控制器的輸出電壓可通過高達 0.7 V的 I 2 C 接口進行編程。此外，降壓穩(wěn)壓器支持動態(tài)電壓調節(jié) (DVS)，這使設計人員能夠進一步降低系統(tǒng)功耗。

圖 2：MAX20345 的功能圖。（圖片：Maxim Integrated）

在可穿戴應用中延長電池壽命的目標也是 Dialog Semiconductor 的一項任務。其高度集成的低靜態(tài)電流 DA9070 PMIC 集成了電流高達 500 mA 的線性充電器以加速充電周期、降壓穩(wěn)壓器、電池監(jiān)控、看門狗和各種保護功能。

DA9070 提供多種省電模式以延長電池壽命?？删幊屉娫礌顟B(tài)可優(yōu)化操作模式下的性能并延長存儲模式下的電池壽命。集成的高效升壓穩(wěn)壓器支持傳感器和顯示要求，具有廣泛的可配置輸出電壓（圖 3）。與其他分立解決方案相比，集成 PMIC 將電源管理占用空間減少了 25%。

圖 3：DA907 的框圖，工作范圍為 2.5V 至 5.5V。（圖片：Dialog Semiconductor）?

結論

盡管 IC 正在縮小其物理尺寸，但其容量和復雜性繼續(xù)增加，并對電源造成壓力。可穿戴產品除了體積小之外，通常還需要靈活的外形來適應人體的形狀和運動，這進一步使設計過程復雜化。

可穿戴設備設計的主要目標是緊湊的外形、輕的重量和超低的能耗。PMIC 在工作模式和關斷狀態(tài)下的低功耗以及超低靜態(tài)電流對于增加執(zhí)行時間至關重要，而 DC/DC 轉換器的低功耗對于產品優(yōu)化是必要的。

審核編輯：劉清

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