【導(dǎo)讀】無線IoT行業(yè)正在生產(chǎn)大量電池供電設(shè)備(圖1)。盡管基本的電池管理系統(tǒng)很容易理解，但具體配置隨電池技術(shù)(一次、二次、化學(xué)物質(zhì)或形狀規(guī)格)和負(fù)載約束(電壓、電流或噪聲敏感度)而異。在所有這些變量條件下，我們似乎應(yīng)該采用分立式方法來設(shè)計(jì)系統(tǒng)：每個(gè)模塊采用一片專用IC，例如圖2所示的典型系統(tǒng)。然而，該方法與此類便攜、輕巧裝置的其他重要要求相矛盾，尤其是對小尺寸的要求。本文探討三種非常重要的便攜式應(yīng)用，證明即使需要多個(gè)模塊，圍繞SIMO核心轉(zhuǎn)換器量身定制的集成式電源管理方法也能輕松解決這一難題。
集成式電源設(shè)計(jì)方法
傳統(tǒng)方案通常會使用多個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)器及相關(guān)電感或使用多個(gè)線性調(diào)節(jié)器。對于便攜式電源管理，單電感多輸出(SIMO)架構(gòu)解決了傳統(tǒng)方案中面臨的電源效率低下和尺寸問題。
與其他方法相比，SIMO方案以更小的空間提供更高的功率，支持更長的電池壽命和更小的外形尺寸。
雖然SIMO轉(zhuǎn)換器IC在集成度方面是一大進(jìn)步，但可能需要附加功能來滿足更加復(fù)雜的系統(tǒng)要求。這就帶來了問題：有沒有可能將核心SIMO轉(zhuǎn)換器與各種不同等級的輔助功能集成在一起，從而將整個(gè)電源管理系統(tǒng)在單片IC中實(shí)現(xiàn)？
圖1. 無線連接的IoT設(shè)備
在以下的案例分析中，我們將SIMO技術(shù)應(yīng)用到三種截然不同的便攜式應(yīng)用中，從而解決了這一疑問。
典型可充電電池系統(tǒng)
(圖2)所示為典型的可充電電池系統(tǒng)。有交流適配器存在時(shí)，交流適配器通過充電器為電池充電，同時(shí)通過SW2為負(fù)載供電；在沒有適配器的情況下，電池接管，通過SW1為系統(tǒng)供電。由于空間和成本限制，通常必須使用多個(gè)LDO，同時(shí)利用單個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)器(BUCK)為最重的負(fù)載供電。可能還需要一個(gè)或多個(gè)LED驅(qū)動器，以支持IR遙控或RGB信號。
在以下部分，我們針對三種不同應(yīng)用對該系統(tǒng)進(jìn)行定制。
圖2. 典型耳戴式設(shè)備電源流程圖
圖3. 使用SIMO PMIC1的可充電電池系統(tǒng)
SIMO PMIC可充電電池系統(tǒng)
(圖3)所示為支持可充電電池系統(tǒng)的全集成SIMO PMIC方案。該方案利用兩個(gè)升/降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器(BB3、BB2)代替LDO (圖2中的LDO3、LDO2)，實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)負(fù)載高效供電。第三個(gè)升/降壓調(diào)節(jié)器(BB1)代替圖2中的BUCK。集成的LDO1用于噪聲敏感的負(fù)載。方案也集成了LED驅(qū)動器。最后，圖2中的充電器和開關(guān)也集成到圖3中的充電器和電源通路模塊中。
使用SIMO開關(guān)調(diào)節(jié)器與使用線性調(diào)節(jié)器的方案相比，前者的電源效率和尺寸優(yōu)勢顯而易見。通過使用升/降壓調(diào)節(jié)器，即使在輸入電壓下降到輸出電壓以下時(shí)也能進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而將電池的最后一滴能量用盡。
案例分析：可充電遙控器
電視或智能家居等的可充電遙控器都需要電源管理系統(tǒng)，包括充電器和紅外LED驅(qū)動器。
對于這些系統(tǒng)，SIMO PMIC是理想選擇。圖5中的PMIC采用一個(gè)線性充電器(375mA)、一個(gè)三路輸出SIMO升/降壓調(diào)節(jié)器(共300mA)、一個(gè)LED驅(qū)動器(425mA)和一個(gè)LDO (50mA)。雙向I2C接口允許配置和檢查器件的狀態(tài)。
(圖4)所示為PMIC中充電器和開關(guān)的實(shí)現(xiàn)。智能電源通路電路在系統(tǒng)(SYS)和電池之間分配功率。當(dāng)交流適配器作為電源時(shí)，輸入控制環(huán)路將系統(tǒng)電壓(SYS)調(diào)節(jié)到4.5V (VSYS-REG)。在這種情況下，充電器(晶體管T2及其相關(guān)控制)由SYS引腳供電，并為電池充電。在交流適配器不提供輸入電源的情況下，電池通過T2為IC電路及系統(tǒng)負(fù)載供電。與(圖2)中的配置相比，由于T2既作為線性充電器(有交流適配器時(shí))的傳輸晶體管，又作為開關(guān)(無交流適配器時(shí))，所以這種配置具有更高的硅效率。
圖4. 智能電源通路
圖5. SIMO PMIC1方案(21mm2)
得益于其SIMO開關(guān)調(diào)節(jié)器和高效偏置LDO，小尺寸PMIC (采用2.15mm x 3.15mm x 0.5mm WLP封裝)以最小損耗提供電源，PCB空間僅為21mm2，不足普通實(shí)現(xiàn)方法的一半。圖5所示的方案布局考慮了所有無源和有源元件。
此外，PMIC在待機(jī)模式下的耗流僅為300nA，優(yōu)于其他可用方案至少2倍。這種能力及其效率增益延長了寶貴的電池壽命，通過使用最小電池幫助減小系統(tǒng)尺寸，同時(shí)延長兩次充電之間的時(shí)間間隔。
SIMO PMIC非充電電池系統(tǒng)
(圖6)中，更小的PMIC2實(shí)現(xiàn)了非充電電池系統(tǒng)的所有必須功能。
圖6. 采用SIMO PMIC2的非充電電池系統(tǒng)
圖7. SIMO PMIC2方案(16mm2)
案例分析：非充電活動監(jiān)測儀
活動監(jiān)測儀和胰島素筆采用LED實(shí)現(xiàn)各種功能，通常由AA型或AAA型圓柱電池供電。智能胰島素計(jì)量裝置有助于為胰島素筆加注正確數(shù)量的胰島素，并在加注結(jié)束時(shí)點(diǎn)亮LED。如身體活動、癲癇發(fā)作和睡眠監(jiān)測儀等活動監(jiān)測儀都像手表一樣戴在手腕上。將LED發(fā)出的光調(diào)諧到各種不同的頻率，穿透皮膚。光電檢測器檢測血液和身體組織反射的調(diào)制信號，提供關(guān)于病人物理活動的信息，例如心率、運(yùn)動和呼吸。
SIMO PMIC是此類系統(tǒng)的理想選擇。(圖7)中的PMIC采用1個(gè)三路輸出SIMO升/降壓調(diào)節(jié)器(共300mA)、3個(gè)LED驅(qū)動器(每個(gè)3.2mA)和1個(gè)LDO (150mA)。雙向I2C接口允許配置和檢查器件的狀態(tài)。
該P(yáng)MIC (采用2.15mm x 2.75mm x 0.7mm WLP封裝)以最小PCB面積(16mm2)實(shí)現(xiàn)供電。(圖7)所示的方案布局考慮了所有無源和有源元件。
此外，PMIC在待機(jī)模式下的耗流僅為300nA，有效模式下僅為5.6µA。
SIMO小尺寸非充電電池系統(tǒng)
(圖8) 中，精簡型PMIC3集成3個(gè)升/降壓調(diào)節(jié)器，形成最簡單、最小尺寸的非充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。
圖8. 采用SIMO PMIC3的非充電電池系統(tǒng)
案例分析：紐扣電池供電傳感器
濕度及其他IoT傳感器要求小尺寸、可靠的電源管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)最小尺寸及最長工作時(shí)間和保存期限。
具有低靜態(tài)電流的SIMO PMIC是此類應(yīng)用的理想選擇。圖9所示的PMIC采用三路輸出SIMO升/降壓轉(zhuǎn)換器(共300mA)。雙向I2C接口允許配置和檢查器件的狀態(tài)。
該P(yáng)MIC (采用1.77mm x 1.77mm x 0.5mm WLP封裝)以最小PCB面積(14mm2)實(shí)現(xiàn)供電。圖9所示的方案布局考慮了所有無源和有源元件。
此外，PMIC在待機(jī)模式下的耗流僅為330nA，有效模式下僅為1.5µA。
圖9. SIMO PMIC3方案(14mm2)
總結(jié)
我們討論了實(shí)現(xiàn)電池供電設(shè)備的小尺寸和高效率電源管理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。提出了量身定制的集成方案，通過選擇性地將支持既定復(fù)雜度的必須電路集成到單片PMIC，充分發(fā)揮SIMO架構(gòu)的空間和電源效率的優(yōu)勢。
我們將SIMO技術(shù)應(yīng)用到三種不同的便攜式應(yīng)用。對于每種情況，SIMO PMIC都根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行定制，獲得了最佳的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了最小PCB尺寸和較長電池壽命。
第一款PMIC (MAX77278)集成線性充電器、智能電源通路、三路輸出SIMO升/降壓轉(zhuǎn)換器、LED驅(qū)動器和LDO，是可充電應(yīng)用的理想選擇。
第二款PMIC (MAX77640)集成三路輸出SIMO升/降壓轉(zhuǎn)換器、3個(gè)LED驅(qū)動器和1個(gè)LDO，為非充電應(yīng)用提供量身定制的方案。
第三款PMIC (MAX17271)集成三路輸出SIMO升/降壓轉(zhuǎn)換器，專門為小尺寸、精簡型應(yīng)用量身定制。
這種量身定制的電源管理實(shí)現(xiàn)方案，最大程度發(fā)揮了SIMO架構(gòu)的空間和電源效率優(yōu)勢，為便攜式應(yīng)用提供最小尺寸、最高效率的電源管理方案。
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