解决方案指南 7061

SIMO助您延长智能手表电池寿命


摘要 :

本设计方案讨论利用基于单电感多输出(SIMO)架构的高度集成PMIC为智能手表供电的优势。我们将其与集成度较低的普通方案进行比较,后者在PCB空间和功耗方面的效率都较低。得益于独特的SIMO架构,MAX77654 PMIC的体积更小、电源效率更高,支持智能手表及其他可穿戴设备实现较长的电池寿命和较小的尺寸。


概述

在大量新功能和应用的推动下,智能手表市场的增长势头没有丝毫减弱的迹象。个人健康和健身产品包括跟踪、报警以及连接等新功能。紧急救援和汽车状态更新等功能推动了智能手表控制汽车的兴起。防水和防震功能以及越来越明亮的屏幕正在推动全球市场的增长。高清摄像头、GPS接收机、微型扬声器、充足的存储空间以及其他新特性不断涌现。然而,要求外形尺寸越来越小加剧了电子产品小型化的挑战,同时也带来电池寿命更长这一附加要求。本设计方案介绍一种创新的电源管理系统,该系统利用非常小的空间实现较高效率的供电,同时支持延长小型化可穿戴设备的电池寿命 (图 1 ).

Smart watch in action. 图1.使用中的智能手表。

可编程 SIMO

理想情况下,高效的方案占用极少的空间,将电池充电器和为智能手表电路供电所需的调节电路集成在一片芯片中。单电感多输出(SIMO)升/降压转换器集成三个开关调节器和单电感,进一步减小占用的空间。每个调节器的结构是可编程的,支持升/降压操作(实现电池电压范围之内及之上的电压),以及降压操作(本质上比升/降压的效率更高,用于实现低于电池电压的电压)。最后,高频操作允许使用小电感,进一步减小所需空间。使用两个片上LDO,用于噪声敏感负载或作为负载开关。 图 2 所示为高度集成的SIMO PMIC。为简单起见,图中未画出外部无源元件。

Highly integrated SIMO PMIC block diagram. 图2.高度集成SIMO PMIC方框图。

SIMO电源网络

图 3 所示的电源网络中,标出了每个调节器的输出电压、负载电流、效率和功耗(PD)。五个负载中,三个负载直接由高效SIMO开关调节器供电。第四和第五个负载的LDO也由SIMO供电,得益于低压差(2V至1.8V),效率可达到90%。总体系统效率为非常优异的86.2%。

Power tree of a high-efficiency SIMO. 图3.高效SIMO的电源网络。

SIMO转换器

图 4 所示为SIMO转换器的方框图(集成除电感之外的全部元件)。开关调节器以最小损耗供电,巧妙的结构避免了每个开关调节器需要一个电感。

SIMO PMIC power block diagram. 图4.SIMO PMIC电源方框图

电感电流共享

在这种滞回非连续电流模式(DCM)调节器中,电感电流总是归0的,所以电感是可共享的。

升/降压模式下,电感在 M1 和 M4 导通时累积电流,速率为VIN/L。达到设置的限值时,电流通过M2和M3_x晶体管传输到所选的SBBx输出。如图 5所示。

降压模式下,M1和M3_x导通,电流传输到输出,同时在电感中累计电流,速率为(VIN - VSBBx)/L。当电感电流达到设置的限值时,通过导通M2并关断M1,将来自电感的能量传输到输出。

注意降压模式下的电流是在整个周期中直接传输到输出的,而在升/降压模式下,电流仅在M2和M3_x晶体管导通期间传输到输出。每周期传输至输出的电流更多,使得降压转换器成为最具效率的结构。

按照输出误差比较器的请求顺序,对输出进行伺服,即先进先出(FIFO)。

SIMO current waveforms illustration. 图5.SIMO电流波形示意图。

如图5所示,每次仅对三个开关调节器中的一个进行伺服,且电感电流归0,避免交叉调节问题。

更小空间实现更长电池寿命

T得益于其SIMO开关调节器及集成LDO,小尺寸 MAX77654 PMIC (WLP,2.79mm x 2.34mm x 0.5mm)占用的PCB面积极小,比普通实现方法小41% (见下文)。图6中包括了全部PCB有源和无源元件。

SIMO PMIC solution with minimal board space (19.2mm2). 图6.电路板空间极小的SIMO PMIC方案(19.2mm2)。

占用的总电路板面积仅为 19.2mm2.

效率

根据需要随时设置降压模式的能力带来了巨大的效率优势。图 7表明,SIMO降压操作的效率比升/降压操作高10%。可编程电感峰值电流限值,IP_SBBX,设定为0.5A。

Buck vs. buck-boost efficiency. 图7.降压与升/降压模式的效率比较。

典型电源管理实现方法

普通智能手表电源管理系统如图8所示。一片PMIC实现电池充电器、降压转换器(为微控制器供电)和LDO(为屏幕供电)。第二片IC,双通道LDO,为传感器和Bluetooth®供电。为简单起见,图中未画出外部无源元件。

Typical hearable power flow diagram. 图8.典型耳戴式设备电源框图。

SIMO电源的优势

图9所示为典型实现方法的完整电源网络。该典型的空间受限方案中,大量使用LDO导致总体效率仅为73.8%。

Power tree of a typical solution with lower efficiency. 图9.普通方案的电源网络,效率较低。

表1为两种方案的电源性能比较。

表1.SIMO相对于传统方案的优势
参数 传统方案 SIMO SIMO 优势
Li+电池电流 176.6mA 152.6mA SIMO节省24mA
系统效率 73.8% 86.2% SIMO 的效率高出 12.4%
最低Li+电池电压 3.3V,由于有3.1V LDO 2.7V SIMO允许更充分放电

SIMO方案优异的效率使得电池耗流较小,同时其低至2.7V的较宽工作范围可延长智能手表的非系留工作时间。

SIMO的体积优势

图 10所示的方案装配图中包括了图9中典型电源框图的全部有源和无源器件。

Board space of a typical hearable solution (32.4mm2). 图10.典型耳戴式方案的电路板空间(32.4mm2).

该典型耳戴式方案占用的电路板面积为大约32.4mm2,也就是比SIMO方案(19.2mm2)大69%。该方案中,相对较低的集成度、使用多个LDO以及较大的无源元件,导致方案在空间和电源方面的效率都较低。

总结

我们讨论了利用基于SIMO架构的高度集成PMIC为智能手表供电的优势。我们将其与集成度较低的普通方案进行比较,后者在PCB空间和功耗方面的效率都较低。得益于独特的SIMO架构,MAX77654 PMIC的体积更小、电源效率更高,支持智能手表及其他小型便携式应用实现较长的电池寿命和较小的尺寸。

术语

Boost: 升压开关调节器
Buck: 降压开关调节器
LDO: 低压差调节器
Li+: 锂离子电池
PCB: 印刷电路板
PMIC: 电源管理集成电路
SBBx: SIMO升/降压调节器输出x
SIMO: 单电感多输出电压调节器

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利用SIMO延长耳戴式设备电池寿命