【導讀】無(wú)線(xiàn)IoT行業(yè)正在生產(chǎn)大量電池供電設備(圖1)。盡管基本的電池管理系統很容易理解，但具體配置隨電池技術(shù)(一次、二次、化學(xué)物質(zhì)或形狀規格)和負載約束(電壓、電流或噪聲敏感度)而異。在所有這些變量條件下，我們似乎應該采用分立式方法來(lái)設計系統：每個(gè)模塊采用一片專(zhuān)用IC，例如圖2所示的典型系統。然而，該方法與此類(lèi)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用，證明即使需要多個(gè)模塊，圍繞SIMO核心轉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。
集成式電源設計方法
傳統方案通常會(huì )使用多個(gè)開(kāi)關(guān)調節器及相關(guān)電感或使用多個(gè)線(xiàn)性調節器。對于便攜式電源管理，單電感多輸出(SIMO)架構解決了傳統方案中面臨的電源效率低下和尺寸問(wèn)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(cháng)的電池壽命和更小的外形尺寸。
雖然SIMO轉換器IC在集成度方面是一大進(jìn)步，但可能需要附加功能來(lái)滿(mǎn)足更加復雜的系統要求。這就帶來(lái)了問(wèn)題：有沒(méi)有可能將核心SIMO轉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)電源管理系統在單片IC中實(shí)現？
圖1. 無(wú)線(xiàn)連接的IoT設備
在以下的案例分析中，我們將SIMO技術(shù)應用到三種截然不同的便攜式應用中，從而解決了這一疑問(wèn)。
典型可充電電池系統
(圖2)所示為典型的可充電電池系統。有交流適配器存在時(shí)，交流適配器通過(guò)充電器為電池充電，同時(shí)通過(guò)SW2為負載供電；在沒(méi)有適配器的情況下，電池接管，通過(guò)SW1為系統供電。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(kāi)關(guān)調節器(BUCK)為最重的負載供電?？赡苓€需要一個(gè)或多個(gè)LED驅動(dòng)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用對該系統進(jìn)行定制。
圖2. 典型耳戴式設備電源流程圖
圖3. 使用SIMO PMIC1的可充電電池系統
SIMO PMIC可充電電池系統
(圖3)所示為支持可充電電池系統的全集成SIMO PMIC方案。該方案利用兩個(gè)升/降壓開(kāi)關(guān)調節器(BB3、BB2)代替LDO (圖2中的LDO3、LDO2)，實(shí)現對兩個(gè)負載高效供電。第三個(gè)升/降壓調節器(BB1)代替圖2中的BUCK。集成的LDO1用于噪聲敏感的負載。方案也集成了LED驅動(dòng)器。最后，圖2中的充電器和開(kāi)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(kāi)關(guān)調節器與使用線(xiàn)性調節器的方案相比，前者的電源效率和尺寸優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。通過(guò)使用升/降壓調節器，即使在輸入電壓下降到輸出電壓以下時(shí)也能進(jìn)行調節，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，包括充電器和紅外LED驅動(dòng)器。
對于這些系統，SIMO PMIC是理想選擇。圖5中的PMIC采用一個(gè)線(xiàn)性充電器(375mA)、一個(gè)三路輸出SIMO升/降壓調節器(共300mA)、一個(gè)LED驅動(dòng)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(kāi)關(guān)的實(shí)現。智能電源通路電路在系統(SYS)和電池之間分配功率。當交流適配器作為電源時(shí)，輸入控制環(huán)路將系統電壓(SYS)調節到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(guò)T2為IC電路及系統負載供電。與(圖2)中的配置相比，由于T2既作為線(xiàn)性充電器(有交流適配器時(shí))的傳輸晶體管，又作為開(kāi)關(guān)(無(wú)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(kāi)關(guān)調節器和高效偏置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)現方法的一半。圖5所示的方案布局考慮了所有無(wú)源和有源元件。
此外，PMIC在待機模式下的耗流僅為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(cháng)了寶貴的電池壽命，通過(guò)使用最小電池幫助減小系統尺寸，同時(shí)延長(cháng)兩次充電之間的時(shí)間間隔。
SIMO PMIC非充電電池系統
(圖6)中，更小的PMIC2實(shí)現了非充電電池系統的所有必須功能。
圖6. 采用SIMO PMIC2的非充電電池系統
圖7. SIMO PMIC2方案(16mm2)
案例分析：非充電活動(dòng)監測儀
活動(dòng)監測儀和胰島素筆采用LED實(shí)現各種功能，通常由AA型或AAA型圓柱電池供電。智能胰島素計量裝置有助于為胰島素筆加注正確數量的胰島素，并在加注結束時(shí)點(diǎn)亮LED。如身體活動(dòng)、癲癇發(fā)作和睡眠監測儀等活動(dòng)監測儀都像手表一樣戴在手腕上。將LED發(fā)出的光調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制信號，提供關(guān)于病人物理活動(dòng)的信息，例如心率、運動(dòng)和呼吸。
SIMO PMIC是此類(lèi)系統的理想選擇。(圖7)中的PMIC采用1個(gè)三路輸出SIMO升/降壓調節器(共300mA)、3個(gè)LED驅動(dòng)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PMIC (采用2.15mm x 2.75mm x 0.7mm WLP封裝)以最小PCB面積(16mm2)實(shí)現供電。(圖7)所示的方案布局考慮了所有無(wú)源和有源元件。
此外，PMIC在待機模式下的耗流僅為300nA，有效模式下僅為5.6µA。
SIMO小尺寸非充電電池系統
(圖8) 中，精簡(jiǎn)型PMIC3集成3個(gè)升/降壓調節器，形成最簡(jiǎn)單、最小尺寸的非充電系統實(shí)現方法。
圖8. 采用SIMO PMIC3的非充電電池系統
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，以實(shí)現最小尺寸及最長(cháng)工作時(shí)間和保存期限。
具有低靜態(tài)電流的SIMO PMIC是此類(lèi)應用的理想選擇。圖9所示的PMIC采用三路輸出SIMO升/降壓轉換器(共300mA)。雙向I2C接口允許配置和檢查器件的狀態(tài)。
該PMIC (采用1.77mm x 1.77mm x 0.5mm WLP封裝)以最小PCB面積(14mm2)實(shí)現供電。圖9所示的方案布局考慮了所有無(wú)源和有源元件。
此外，PMIC在待機模式下的耗流僅為330nA，有效模式下僅為1.5µA。
圖9. SIMO PMIC3方案(14mm2)
總結
我們討論了實(shí)現電池供電設備的小尺寸和高效率電源管理系統面臨的挑戰。提出了量身定制的集成方案，通過(guò)選擇性地將支持既定復雜度的必須電路集成到單片PMIC，充分發(fā)揮SIMO架構的空間和電源效率的優(yōu)勢。
我們將SIMO技術(shù)應用到三種不同的便攜式應用。對于每種情況，SIMO PMIC都根據應用進(jìn)行定制，獲得了最佳的結果，實(shí)現了最小PCB尺寸和較長(cháng)電池壽命。
第一款PMIC (MAX77278)集成線(xiàn)性充電器、智能電源通路、三路輸出SIMO升/降壓轉換器、LED驅動(dòng)器和LDO，是可充電應用的理想選擇。
第二款PMIC (MAX77640)集成三路輸出SIMO升/降壓轉換器、3個(gè)LED驅動(dòng)器和1個(gè)LDO，為非充電應用提供量身定制的方案。
第三款PMIC (MAX17271)集成三路輸出SIMO升/降壓轉換器，專(zhuān)門(mén)為小尺寸、精簡(jiǎn)型應用量身定制。
這種量身定制的電源管理實(shí)現方案，最大程度發(fā)揮了SIMO架構的空間和電源效率優(yōu)勢，為便攜式應用提供最小尺寸、最高效率的電源管理方案。
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