【導(dǎo)讀】我們生活在一個(gè)被電子設(shè)備包裹的時(shí)代，這些設(shè)備使我們的學(xué)習(xí)、工作、鍛煉、旅行和交流等變得非常方便，尤其是可穿戴設(shè)備正在成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠帧Ｔ卺t(yī)療應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備可用于監(jiān)測(cè)心率、血壓、血氧水平、運(yùn)動(dòng)中燃燒的卡路里、睡眠跟蹤等。為了提供更好的用戶體驗(yàn)，高性能、小尺寸和低功耗是這些可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)然，要想全部實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)通常需要在電路設(shè)計(jì)中進(jìn)行一些權(quán)衡，比如為了滿足特定的功耗目標(biāo)，設(shè)計(jì)者就必須增加設(shè)備的尺寸。那么，有沒(méi)有辦法可以在不增加這些電池供電設(shè)備尺寸的情況下又能有效延長(zhǎng)電池壽命呢？
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答案當(dāng)然是肯定的。首先，電子元器件的小型化、低功耗、高性能發(fā)展趨勢(shì)非常有利于可穿戴設(shè)備的小尺寸設(shè)計(jì)需求。其次，快速充電以及先進(jìn)的電源管理IC（PMIC）技術(shù)在可穿戴設(shè)備中獲得廣泛應(yīng)用。近些年，隨著SIMO PMIC技術(shù)的日趨完善，可穿戴設(shè)備的電源設(shè)計(jì)變得更加容易。
可穿戴設(shè)備中的電源管理
根據(jù)Mordor Intelligence的分析，2020年，可穿戴技術(shù)的市場(chǎng)價(jià)值約為279.1億美元，預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到740.3億美元，在預(yù)測(cè)期（2021至2026年），復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到17.65%。尤其是MEMS傳感器的出現(xiàn)，進(jìn)一步加速了可穿戴技術(shù)的發(fā)展。比如，將這些傳感器集成到一個(gè)專用的可穿戴設(shè)備中，人們就可以隨時(shí)隨地的利用可穿戴健身追蹤系統(tǒng)監(jiān)測(cè)身體健康狀況。據(jù)思科公司（Cisco）的數(shù)據(jù)，全球連接的可穿戴設(shè)備數(shù)量有望從2018年的5.93億臺(tái)增至2022年的11.05億臺(tái)。
來(lái)自Grand view Research的市場(chǎng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)更加樂(lè)觀，他們的分析師認(rèn)為，2020年全球可穿戴技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了406.5億美元，預(yù)計(jì)從2021年到2028年將以13.8%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）增長(zhǎng)。
促使市場(chǎng)快速發(fā)展的主要因素來(lái)自兩個(gè)方面：
● 一是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術(shù)的進(jìn)步催生大量的互聯(lián)設(shè)備，這些設(shè)備的受歡迎度正在迅速上升；
● 二是慢性病和肥胖癥的發(fā)生率不斷攀升，促使人們采用可穿戴產(chǎn)品，如活動(dòng)跟蹤器和身體監(jiān)測(cè)器，用于監(jiān)測(cè)用戶整體健康狀況并提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
這些可穿戴設(shè)備還能提供與日常事件和生理數(shù)據(jù)有關(guān)的信息，如睡眠質(zhì)量、心率、血氧水平、血壓、膽固醇水平和燃燒的卡路里等。
可穿戴設(shè)備通常由微控制器、存儲(chǔ)器、通信、顯示器、傳感器和電源管理等模塊構(gòu)成。其中的微控制器、顯示器和傳感器可能有不同的電壓要求，許多外圍設(shè)備如通信IC和傳感器大多數(shù)時(shí)間是處在休眠模式，只有在需要時(shí)才會(huì)通電，因此，在可穿戴設(shè)備內(nèi)部通常需要多個(gè)電壓軌。
根據(jù)設(shè)計(jì)需求，微控制器自始至終都處于工作狀態(tài)，堪稱可穿戴設(shè)備的功耗大戶，并且性能和所用功率之間存在明顯的相關(guān)性，其電流消耗約為40μA/MHz左右?；诔叽纭⑿阅芗肮牡目紤]，可穿戴設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)電源管理給予足夠的重視。目前，可穿戴設(shè)備的電源管理通常都是基于PMIC，且具備充電、DC-DC轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)器等功能?；趯?duì)可穿戴市場(chǎng)的良好預(yù)期，PMIC也必將是一個(gè)潛力無(wú)限的市場(chǎng)。
圖1：可穿戴設(shè)備的典型系統(tǒng)架構(gòu)
（圖源：Renesas）
IC Insights在其2022年第一季度的McClean報(bào)告中提到，新冠疫情致使全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)衰退，然而2021年全球半導(dǎo)體市場(chǎng)的銷售額卻史無(wú)前例地飆升了30%，達(dá)到741億美元的歷史新高。強(qiáng)勁的需求以及供應(yīng)鏈中斷導(dǎo)致去年的模擬IC平均售價(jià)上漲了6%，
預(yù)計(jì)2022年模擬IC市場(chǎng)又將是一個(gè)雙位數(shù)增長(zhǎng)年。除去放大器和比較器，電源管理IC（PMIC）預(yù)計(jì)將在2022年成為第二大模擬細(xì)分市場(chǎng)，相比上一年度增幅達(dá)到12%，其中5G和消費(fèi)電子市場(chǎng)的需求是市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。
圖2：PMIC預(yù)計(jì)將在2022年度實(shí)現(xiàn)12%的增幅
（圖源：IC Insights）
Yole的分析師們?cè)谄浒l(fā)布的分析報(bào)告中指出，預(yù)計(jì)到2026年，電源IC市場(chǎng)總額將超過(guò)255億美元，2020年至2026年復(fù)合年增長(zhǎng)率為3%。當(dāng)然，并非所有的電源IC市場(chǎng)都以相同的速度增長(zhǎng)，汽車行業(yè)將是所有行業(yè)中增幅最大的，移動(dòng)和消費(fèi)市場(chǎng)雖然增幅低于均值，但體量最大，超過(guò)了100億美元，在整個(gè)功率IC市場(chǎng)中占比超過(guò)40%。
圖3：2020年到2026年電源IC市場(chǎng)將以3%的幅度增長(zhǎng)，移動(dòng)和消費(fèi)應(yīng)用市場(chǎng)占比最大
（圖源：Yole）
話題重新回到可穿戴設(shè)備的電源管理。眾所周知，在可穿戴醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)之初，電源管理必須被視為一項(xiàng)高級(jí)戰(zhàn)略。雖然大多數(shù)現(xiàn)代微控制器的設(shè)計(jì)都考慮到了低功耗應(yīng)用，但開(kāi)發(fā)高效的電源管理方案對(duì)于最大限度地降低功耗和延長(zhǎng)電池壽命仍是至關(guān)重要的。也許很多人會(huì)說(shuō)，電池壽命同樣是可穿戴設(shè)備中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，深思熟慮的電池規(guī)劃對(duì)于可穿戴設(shè)備尤其是可穿戴醫(yī)療設(shè)備的成功至關(guān)重要。綜合來(lái)看，選擇合適的電池和實(shí)施適當(dāng)?shù)碾娫垂芾硎窃O(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備的主要挑戰(zhàn)。
以智能手表或健身帶等小型可穿戴設(shè)備為例，它們通常只能容納電壓為3.8V、容量為130mAh至410mAh的單電池鋰離子電池，其電池管理和充電系統(tǒng)必須在設(shè)備運(yùn)行以及充電時(shí)隨時(shí)密切監(jiān)測(cè)電流、電壓和溫度的變化。理想的電源管理解決方案需要確保系統(tǒng)消耗盡可能少的電力，并盡可能快速、安全的完成充電。
Texas Instruments（TI）的TPS65070是一款帶有電池充電器、三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)LDO的芯片，專門用于便攜式應(yīng)用的單芯片電源管理。設(shè)備充電時(shí)可由插腳上的USB端口供電，也可由連接到插腳AC的墻壁適配器的直流電壓供電。三個(gè)高效的2.25MHz降壓轉(zhuǎn)換器旨在為處理器、存儲(chǔ)器和I/O進(jìn)行供電。降壓轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下進(jìn)入低功率模式，以在盡可能寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大效率。
由STMicroelectronics開(kāi)發(fā)的STMP30同樣是一款可有效改善便攜式設(shè)備電池運(yùn)行時(shí)間的電源管理芯片。這款產(chǎn)品的輸入電壓范圍為2.9V至4.8V，包括三個(gè)集成DC/DC轉(zhuǎn)換器，以提供智能手機(jī)以及其他便攜式設(shè)備中AMOLED顯示器所需的所有電源軌。
與其他將VOUT1固定在4.6V的設(shè)備不同，550mA VOUT1升壓轉(zhuǎn)換器提供可調(diào)節(jié)的輸出電壓，電壓可以設(shè)置在4.6V和5.0V之間，增量為100mV，能有效優(yōu)化顯示器亮度，使其在任何條件下都具有最低的功耗和最佳的可視性。其余兩個(gè)輸出550mA單相降壓-升壓逆變轉(zhuǎn)換器提供，可編程范圍為-0.8V至-6.6V，以及5.5V至7.9V、150mA，輸出電壓通過(guò)外部引腳使用單線（S-Wire）協(xié)議編程。
SIMO PMIC：小型高效電源設(shè)計(jì)解決方案
輕便緊湊的可穿戴設(shè)備通常使用微型電池。盡管電池的容量在過(guò)去十年中有所增加，但儲(chǔ)存的電量在有限的時(shí)間內(nèi)很快就會(huì)耗盡。永久可穿戴和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備的設(shè)計(jì)者的目標(biāo)是延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)縮小外形尺寸。而小尺寸、高度集成的電源管理IC（PMIC）是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的優(yōu)選方案。
PMIC是一種高度集成的電源產(chǎn)品，它將傳統(tǒng)的多輸出電源封裝在單個(gè)芯片中，從而以較小的體積在多個(gè)電源應(yīng)用場(chǎng)景尤其是由電池供電的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)高效率，它不僅優(yōu)化了設(shè)備的內(nèi)部布局，還最大化了能效，有效延長(zhǎng)了電池的壽命。
直流-直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器是電子產(chǎn)品中最常用的PMIC，近年來(lái)由于其高轉(zhuǎn)換效率而成為市場(chǎng)的主力軍。根據(jù)工作模式和儲(chǔ)能元件的不同，DC-DC變換器可分為線性穩(wěn)壓器（LDO）、電感降壓/升壓（buck/boost）開(kāi)關(guān)DC-DC穩(wěn)壓器和電容開(kāi)關(guān)DC-DC穩(wěn)壓器。DC-DC轉(zhuǎn)換器的三種不同架構(gòu)在物理尺寸、靈活性和效率方面是有差異的，其中：LDO可以完全集成，具有良好的電壓可擴(kuò)展性，但效率不高；電容式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（也稱為電荷泵）可完全集成，效率高，但電壓可擴(kuò)展性差；電感式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器非常高效且電壓可調(diào)，但缺點(diǎn)是不能完全集成。因此，現(xiàn)階段可穿戴設(shè)備大多選擇線性LDO和電感開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（Buck/Boost），兩者都可以提供設(shè)計(jì)所需的靈活電源管理。
在可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)中，是選擇線性LDO還是電感降壓/升壓拓?fù)湫枰欢ǖ臋?quán)衡。在傳統(tǒng)的電感開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)中，每個(gè)輸出都需要一個(gè)獨(dú)立的電感，這些電感通常笨重且昂貴，非常不利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。為了減小尺寸，人們經(jīng)常會(huì)選擇緊湊、低噪聲的LDO，但LDO的損耗又比較大。問(wèn)題又來(lái)了，設(shè)計(jì)師該如何在二者之中做出權(quán)衡，有沒(méi)有兩全其美的方案呢？
答案是：?jiǎn)坞姼卸噍敵觯⊿IMO）穩(wěn)壓器可以解決這個(gè)難題，它能夠同時(shí)解決尺寸和能效等問(wèn)題。
基于SIMO架構(gòu)的PMIC使用單個(gè)電感器作為能量存儲(chǔ)元件，以支持多個(gè)獨(dú)立的DC輸出。與傳統(tǒng)的電感式DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器相比，SIMO架構(gòu)PMIC通過(guò)單個(gè)電感器提供多個(gè)輸出，將原本需要多個(gè)分立組件的功能集成到更小的封裝中，節(jié)省了空間，同時(shí)仍保持了高效率。
#01 ADI MAX77659
ADI的MAX77659是一款帶有集成開(kāi)關(guān)模式降壓-升壓充電器的單電感多輸出（SIMO）PMIC，充電僅需10分鐘即可提供超過(guò)4個(gè)小時(shí)的供電時(shí)間，并使用單電感為多條電源軌供電，將材料清單（BoM）減少60%，總解決方案尺寸縮小50%。與目前其他的PMIC相比，它可以非常方便地用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，而且空間更小。MAX77659集成了一個(gè)開(kāi)關(guān)模式降壓升壓充電器和三個(gè)獨(dú)立可編程降壓升壓穩(wěn)壓器，共享一個(gè)電感器。調(diào)節(jié)器在中到重負(fù)載條件下以91%的效率運(yùn)行，而在輕負(fù)載條件下僅消耗5.0μA的靜態(tài)電流，延長(zhǎng)了電池壽命。
在SIMO PMIC上，ADI有著廣泛的產(chǎn)品組合，如MAX77640/MAX77641和MAX77680/MAX77681，它們將電源管理電路的尺寸縮小了近一半，并廣泛支持可穿戴設(shè)備、智能家居等空間受限的應(yīng)用。
圖4：MAX77659工作方框圖
（圖源：ADI）
#02 TI TPS65135
TI雙電源轉(zhuǎn)換器TPS65135具有單電感器和多輸出（SIMO）拓?fù)?，很少使用外部組件，通過(guò)降壓/升壓拓?fù)?，產(chǎn)生高于或低于輸入電源電壓的正和負(fù)輸出電壓。源于SIMO拓?fù)?，TPS65135具有良好的線路瞬態(tài)調(diào)節(jié)。該產(chǎn)品可用于從2.5V至5.5V的輸入電源電壓產(chǎn)生分流軌電源，并針對(duì)單電池鋰離子電池的3.3V軌進(jìn)行了優(yōu)化。TPS65135在降壓-升壓拓?fù)渲泄ぷ?，僅使用2.2μH電感器產(chǎn)生正負(fù)輸出電壓。當(dāng)輸出電流失配達(dá)到50%或更低時(shí)，它可以通過(guò)降壓升壓產(chǎn)生高達(dá)6V的正輸出電壓和低至-7V的負(fù)電壓（即輸入電源電壓可能高于或低于正輸出電壓）。兩個(gè)輸出都由EN引腳控制，即兩個(gè)輸出在高邏輯電平下啟用，在低邏輯電平下禁用。當(dāng)輸入電源電壓過(guò)低，無(wú)法正常工作時(shí)，集成的UVLO功能將禁用設(shè)備。
圖5：TPS65135系統(tǒng)框圖
（圖源：TI）
后記
根據(jù)Statista的數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到2022年全球可穿戴技術(shù)支出將達(dá)到900億美元，并且會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷增加。薄、小、輕是可穿戴設(shè)備的物理要求，也是當(dāng)今可穿戴技術(shù)限制電池壽命的主要原因。傳統(tǒng)電池，如鋰離子硬幣電池，可能適用于傳感器和其他低功耗可穿戴設(shè)備，但它們難以滿足健身帶和智能手表等功能更強(qiáng)的可穿戴設(shè)備的需求。延長(zhǎng)電池壽命對(duì)于此類設(shè)備獲得市場(chǎng)認(rèn)可至關(guān)重要，沒(méi)有人希望智能穿戴設(shè)備的電池在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)用完。然而，電池復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將大大增加設(shè)備的尺寸和成本，使人們不方便佩戴。為了使可穿戴設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，能量采集、電池管理、電源管理和低功耗解決方案都是延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備電池壽命的有效措施。
很明顯，在開(kāi)發(fā)可穿戴設(shè)備時(shí)，電池選擇和功耗管理是設(shè)備整體成功的關(guān)鍵。工程和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的挑戰(zhàn)是仔細(xì)平衡每個(gè)設(shè)備中的變量，以滿足所有要求，并根據(jù)所選電池提供有限的功率。SIMO PMIC解決方案不僅提高了器件的能效，而且由于其高度集成，大大減小了電路板的尺寸。它是電池供電設(shè)備電源管理的理想解決方案。
來(lái)源：Mouser
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