汽車(chē)和可穿戴設(shè)備的電源管理解決方案

PMIC 提供了一種用小電池為設(shè)備供電的解決方案，因?yàn)樗鼈冊(cè)趩蝹€(gè)芯片中提供完整的電源管理。PMIC包括電壓轉(zhuǎn)換器、穩(wěn)壓器、電池電量指示器、電池充電器和LED 驅(qū)動(dòng)器等功能。

低功耗 PMIC 必須提供緊湊的外形和高效率，以在可穿戴設(shè)備中提供較長(zhǎng)的電池壽命。在 SoC（片上系統(tǒng)）、FPGA 和微控制器等計(jì)算密集型系統(tǒng)中，目標(biāo)是最大限度地提高每瓦性能，從而提高整體系統(tǒng)效率。

盡管是設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要方面，但對(duì)于 ADAS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，具有電氣關(guān)鍵環(huán)境的車(chē)輛中的直流電源管理是一個(gè)不太公開(kāi)但至關(guān)重要的問(wèn)題。PMIC 解決方案提供直流電源保護(hù)、低靜態(tài)電流和 EMI 降低，為車(chē)輛的能源管理提供舒適的環(huán)境。

在各種設(shè)備中采用 PMIC 解決方案有助于有效利用電源并延長(zhǎng)這些設(shè)備的使用壽命。預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，對(duì)電源管理 IC 的需求將會(huì)增加。

挑戰(zhàn)

電源管理正在成為一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，隨著微電子系統(tǒng)在極小尺寸和不斷增加的功耗要求方面的發(fā)展，它值得開(kāi)發(fā)人員關(guān)注：這就是可穿戴電子系統(tǒng)正在發(fā)生的事情。電力收集技術(shù)和最新一代超級(jí)電容器的應(yīng)用可以成為有效解決此類(lèi)問(wèn)題的好策略。

具有輕巧緊湊外形的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要運(yùn)行時(shí)間短的小型電池。電源管理集成電路 (PMIC) 可以通過(guò)在需要時(shí)啟用/禁用電源模塊來(lái)提供靈活性，以有效管理可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中的電壓總線。PMIC 本質(zhì)上可以讓可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在兩次充電之間運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間間隔。除了設(shè)計(jì)靈活性外，PMIC 還包括保護(hù)、監(jiān)測(cè)和控制。

電源管理系統(tǒng)將 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換為三種不同的形式，它們的大小、靈活性和效率各不相同。線性穩(wěn)壓器可以完全集成并具有電壓可擴(kuò)展性，但效率不高?；?a target="_blank">電容器的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以完全集成且高效，但沒(méi)有電壓可擴(kuò)展性。基于電感器的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以是高效的并且具有不能完全集成的電壓可擴(kuò)展性。

電源管理子系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)涉及幾個(gè)挑戰(zhàn)。必須有足夠的空間供電源使用，它必須適合所提供的空間。使用自然對(duì)流電源時(shí)，電源附近必須有足夠的空間進(jìn)行冷卻。如果使用強(qiáng)制風(fēng)冷，則電源周?chē)枰凶銐虻目諝饬鲃?dòng)。

Dialog Semiconductor 汽車(chē)事業(yè)部高級(jí)副總裁 Tom Sandoval 表示：“為高電流軌供電的熱挑戰(zhàn)主要與試圖保持器件的內(nèi)部溫度（結(jié)溫）不超過(guò)器件規(guī)定的溫度有關(guān)。他補(bǔ)充說(shuō)：“更高的電流意味著更高的功耗會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，這使得設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的指定環(huán)境溫度下提供高電流且不超過(guò)設(shè)備指定結(jié)溫的設(shè)備更具挑戰(zhàn)性。電路設(shè)計(jì)的整體效率對(duì)給定電流水平下將發(fā)生的熱量有顯著影響。此外，用于設(shè)備的包裝類(lèi)型會(huì)影響設(shè)備在操作過(guò)程中的加熱方式。最后，在系統(tǒng)層面，

設(shè)計(jì)通常很困難且有問(wèn)題，因此需要對(duì)補(bǔ)償控制周期和特定電源管理 IC 的操作有很好的了解。擁有面向設(shè)計(jì)的仿真工具有助于加速和簡(jiǎn)化 PMIC 解決方案的開(kāi)發(fā)。

解決方案

采用微功率 SIMO 降壓-升壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的電源管理 IC (PMIC) 可用于可穿戴設(shè)備，是延長(zhǎng)電池壽命的有效工具。通過(guò)利用整個(gè)電池電壓范圍，因?yàn)槊總€(gè)輸出都具有降壓-升壓配置的優(yōu)勢(shì)，這些轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生高于、低于或等于輸入電壓的輸出電壓。借助每個(gè)輸出的可編程峰值電感電流等功能，可以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的效率、輸出紋波、電磁干擾 (EMI)、PCB 設(shè)計(jì)和負(fù)載能力之間的平衡。MAX77650 和 MAX77651 PMIC 包括一個(gè)集成的 150mA 低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)，可為噪聲敏感應(yīng)用提供紋波抑制。SIMO 控制方案中的控制器可確保及時(shí)處理所有輸出。

圖 1：MAX77650 框圖

“我們?cè)诳纱┐髟O(shè)備、耳戴設(shè)備和低功耗物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的客戶(hù)群處于高端技術(shù)和美學(xué)的交叉點(diǎn)。這些是適合日常生活的品牌。Maxim Integrated 移動(dòng)電源產(chǎn)品線總監(jiān) Karthi Gopalan 表示，隨著全球?qū)?a href="http://srfitnesspt.com/v/" target="_blank">智能 AI 助手、移動(dòng)生物識(shí)別跟蹤和精確位置跟蹤的依賴(lài)日益增加，這些市場(chǎng)正在獲得巨大的吸引力。

她補(bǔ)充說(shuō)：“借助 Maxim Integrated 的低功耗單電感器、多輸出 (SIMO) PMIC，我們可以以最小的外形尺寸為此類(lèi)空間受限的設(shè)計(jì)提供最高的系統(tǒng)效率。我們的 PMIC 現(xiàn)在可以將解決方案大小減少一半。這釋放了電路板空間來(lái)包裝增值模塊，例如語(yǔ)音命令、支付、GPS 接收器、生物識(shí)別、手勢(shì)控制、3-D 識(shí)別和攝像頭模塊?！?/p>

在汽車(chē)應(yīng)用中，PMIC 面臨三個(gè)主要挑戰(zhàn)：溫度、資質(zhì)、安全。汽車(chē)應(yīng)用必須在 -40 至至少 105 攝氏度的環(huán)境溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，半導(dǎo)體器件需要在更寬的溫度范圍內(nèi)具有卓越的性能。

“汽車(chē)應(yīng)用需要顯著更高的質(zhì)量水平，以確保在超過(guò)十年的使用期間接近零故障率。這對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)、資格要求和測(cè)試/篩選產(chǎn)生影響，以確保在汽車(chē)的整個(gè)生命周期內(nèi)都能達(dá)到最高質(zhì)量水平，”桑多瓦爾說(shuō)。

在許多汽車(chē)應(yīng)用中，存在與安全相關(guān)的元素，即防止故障的能力。該設(shè)備必須能夠管理電氣故障并提供可能的解決方案?！氨仨氃谠O(shè)備中設(shè)計(jì)額外的電路以支持這種類(lèi)型的功能，從而導(dǎo)致更高的復(fù)雜性和成本，”桑多瓦爾說(shuō)。

Dialog 高度集成的 DA913X-A 設(shè)備可實(shí)現(xiàn)較低的系統(tǒng) BoM 成本和較小的解決方案占用空間。這些器件以超過(guò) 90% 的效率水平運(yùn)行，減少了為包括高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 在內(nèi)的各種系統(tǒng)中的高電流軌供電的熱設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

DA913X-A 系列由配置為單輸出或雙輸出降壓轉(zhuǎn)換器的三個(gè)設(shè)備組成。DA9130-A 用作單通道、兩相降壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá) 10 A 的輸出電流。DA9131-A 集成了兩個(gè)單相降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)可提供高達(dá) 5 A 的輸出電流。DA9132-A 還集成了兩個(gè)單相降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)可提供高達(dá) 3 A 的輸出電流。所有器件的輸入電壓范圍為 2.5 V 至 5.5 V，輸出電壓范圍為 0.3 V 至 1.9 V，適用于各種低壓系統(tǒng)。1.9 V 以上的輸出電壓由外部電阻分壓器支持。

圖 2：DA913X-A 框圖

審核編輯：郭婷