超低功耗 PMIC 改進(jìn)了可穿戴設(shè)計(jì)

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特約編輯

許多功能結(jié)合在一起，形成了一個(gè)有用的可穿戴設(shè)備。外形尺寸、設(shè)計(jì)和能源效率對(duì)于實(shí)現(xiàn)不僅能正確工作而且舒適、有吸引力且易于使用的設(shè)備至關(guān)重要，這些設(shè)備為提高我們的生產(chǎn)力、健康和生活方式提供了新的方法。永遠(yuǎn)在線的可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備的設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是在縮小外形尺寸的同時(shí)延長電池運(yùn)行時(shí)間，這可以通過微型、高度集成的電源管理 IC (PMIC) 來實(shí)現(xiàn)。

可穿戴設(shè)備的光學(xué)傳感精度也是一個(gè)大問題，它受到各種技術(shù)因素的影響，包括 PMIC 的選擇。超低功耗 PMIC 集成了電路架構(gòu)，可優(yōu)化健康應(yīng)用光學(xué)測量的靈敏度。例如，新的 PMIC 可在腕戴式外形尺寸中實(shí)現(xiàn)最高靈敏度的光學(xué)傳感，以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)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)療保健成本的增加到“健康狂熱者”的增長——一種以健康為特征的生活方式。此外，借助互聯(lián)網(wǎng)，消費(fèi)者現(xiàn)在可以輕松且?guī)缀鯚o限制地訪問有關(guān)其健康的信息?？纱┐麽t(yī)療領(lǐng)域可靠解決方案的設(shè)計(jì)需要可靠的電子設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備和智能手表等設(shè)備所需的高功能性涉及更高的能源消耗。

反過來，封裝更小、更薄的持續(xù)趨勢需要新一代的集成電源管理電路來促進(jìn)充電。適合可穿戴技術(shù)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(shè)備，但它們難以滿足最高性能的可穿戴要求，例如語音和手勢識(shí)別、監(jiān)控和傳感。

可穿戴設(shè)備的印刷電路板 (PCB) 設(shè)計(jì)需要大量考慮材料的選擇和符合電磁兼容性要求的正確布局?？纱┐?PCB 需要更緊密的阻抗控制，這是布局的基本要素，可實(shí)現(xiàn)更清晰的信號(hào)傳播。

PMIC 架構(gòu)典型的可穿戴設(shè)備架構(gòu)包括片上系統(tǒng) (SoC)、內(nèi)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(zhuǎn)換器和用于藍(lán)牙/Wi-Fi 連接的低壓差穩(wěn)壓器 (LDO)。例如，在智能手表中，設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)本質(zhì)上是耗散管理和電池尺寸。所有這些都涉及適當(dāng)?shù)腜MIC設(shè)備。

大多數(shù)系統(tǒng)都需要一個(gè)充電器和各種針對(duì)常見電路功能進(jìn)行調(diào)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)控以增加安全性。雙向 I 2 C 接口允許設(shè)計(jì)人員配置和監(jiān)控器件狀態(tài)。PMIC 的架構(gòu)還包括一個(gè)具有監(jiān)控功能的控制器。

具有降壓和升壓轉(zhuǎn)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(shè)備的首選，但能效可能是一個(gè)關(guān)鍵因素。最佳供電系統(tǒng)以專用開關(guān)電源為代表。這種方法的缺點(diǎn)是每個(gè)開關(guān)都需要一個(gè)電感器，從而增加了 PCB 空間和可穿戴設(shè)備的尺寸。

因此，該電路需要一個(gè)單一的電源管理解決方案，該解決方案使用單輸入多輸出 (SIMO) 架構(gòu)集成各種電源總線。通過提供多個(gè)輸出，SIMO 方法與控制器的低待機(jī)電流一起延長了可穿戴設(shè)計(jì)的電池壽命。調(diào)節(jié)器以最小的損耗提供能量，該架構(gòu)消除了一些重復(fù)的組件，同時(shí)節(jié)省了材料清單。

一個(gè)例子是 Maxim Integrated 的MAX20310，這是一款集成電源管理電路，將兩個(gè) SIMO 升降壓輸出與兩個(gè) LDO 和其他電源管理功能（如排序控制器）結(jié)合在一起。線性穩(wěn)壓器還可以用作電源開關(guān)，可以斷開系統(tǒng)外圍設(shè)備的非活動(dòng)負(fù)載（圖 1）以提高效率。

圖 1：MAX20310 框圖。（圖片：美信集成）

光學(xué)傳感精度在可穿戴設(shè)備中，光學(xué)測量的精度受用戶專有的各種生物因素和設(shè)計(jì)性質(zhì)的影響，與電源電壓的穩(wěn)定性有關(guān)。設(shè)計(jì)人員努力提高光學(xué)系統(tǒng)在信噪比 (SNR) 方面的靈敏度，以涵蓋廣泛的應(yīng)用。使用低靜態(tài)電流穩(wěn)壓器會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)妥協(xié)，從而在紋波或長穩(wěn)定時(shí)間方面降低 SNR。

一種解決方案是高度集成的 PMIC，例如 Maxim 的MAX20345，它采用降壓-升壓穩(wěn)壓器，在高頻下具有低紋波，不會(huì)干擾心率、血氧 (SpO 2 ) 和血糖水平等測量。

更高精度的測量可以幫助患者做出更明智的選擇。例如，實(shí)時(shí)血糖水平可以幫助他們更好地決定他們?nèi)煨枰氖澄镱愋?、體育活動(dòng)和藥物。

心率的光學(xué)測量是使用光電容積描記術(shù) (PPG) 完成的，這是一種測量動(dòng)脈血容量的光學(xué)技術(shù)。根據(jù)測量條件，控制器可以將性能提高多達(dá) 7 dB。

MAX20345 PMIC 集成了一個(gè)鋰離子電池充電器和六個(gè)穩(wěn)壓器，每個(gè)穩(wěn)壓器都具有大約 500 nA 的超低靜態(tài)電流（圖 2）。三個(gè)高效同步降壓穩(wěn)壓器使用脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 控制方案。這些控制器的輸出電壓可以通過一個(gè)高達(dá) 0.7 V 的 I 2 C 接口進(jìn)行編程。此外，降壓穩(wěn)壓器支持動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) (DVS)，從而使設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)一步改善系統(tǒng)功耗。

圖 2：MAX20345 的功能框圖。（圖片：美信集成）

在可穿戴應(yīng)用中延長電池壽命的目標(biāo)也是 Dialog Semiconductor 的任務(wù)。其高度集成和低靜態(tài)電流的DA9070 PMIC集成了電流高達(dá) 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(hù)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(chǔ)模式下的電池壽命。集成的高效升壓穩(wěn)壓器通過廣泛的可配置輸出電壓支持傳感器和顯示器要求（圖 3）。與其他分立解決方案相比，集成 PMIC 可將電源管理占用空間減少 25%。

圖 3：工作電壓范圍為 2.5V 至 5.5V 的 DA907 框圖。（圖片：對(duì)話半導(dǎo)體）

結(jié)論盡管 IC 正在縮小其物理尺寸，但其容量和復(fù)雜性仍在不斷增加，并對(duì)電源造成壓力。可穿戴產(chǎn)品除了體積小外，通常還需要靈活的外形尺寸以適應(yīng)人體的形狀和運(yùn)動(dòng)，這進(jìn)一步使設(shè)計(jì)過程復(fù)雜化。

可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是外形緊湊、重量輕和超低能耗。PMIC 在工作模式和關(guān)斷狀態(tài)下的低功耗以及超低靜態(tài)電流對(duì)于增加執(zhí)行時(shí)間至關(guān)重要，而 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的低功耗對(duì)于產(chǎn)品優(yōu)化是必不可少的。

審核編輯 黃昊宇