用于可穿戴设备和汽车的电源设备

2021-04-29

用于可穿戴设备和汽车的电源设备

PMIC是小型电池供电设备的最佳选择，因为它们可以在单个芯片中提供完整的电源解决方案，并包括电压转换器，调节器，电池电量指示器，电池充电器和LED驱动器等功能。

低功率PMIC必须提供紧凑的外形尺寸和高效率，以在可穿戴设备中提供较长的电池寿命。在诸如SoC（片上系统），FPGA和微控制器之类的计算密集型系统中，目标是使每瓦性能最大化，从而提高整体系统效率。

尽管这是设计阶段的重要方面，但对于电气关键环境的车辆，直流电源管理对于ADAS系统设计人员而言却鲜为人知，但至关重要。PMIC解决方案提供直流电源保护，低静态电流和EMI降低，为车辆的能源管理提供了舒适的环境。

在各种设备中采用PMIC解决方案有助于有效地使用电源并延长了这些设备的使用寿命。预计在不久的将来，对电源管理IC的需求将会增加。

挑战性

电源管理已成为一个复杂的问题，随着微电子系统在尺寸减小和功耗要求不断提高方面的发展，开发人员应引起广泛关注：这是可穿戴电子系统正在发生的事情。电力收集技术和最新一代的超级电容器的应用可能是有效解决此类问题的好策略。

轻巧紧凑的可穿戴式物联网设备需要体积小巧的电池，且运行时间短。电源管理集成电路（PMIC）可通过在需要时启用/禁用电源块来有效管理可穿戴式IoT设计中的电压总线，从而提供灵活性。PMIC实际上可以使可穿戴式IoT设备在两次充电之间运行更长的时间间隔。除设计灵活性外，PMIC还包括保护，监视和控制。

电源管理系统将DC-DC电源转换为三种不同的形式，大小，灵活性和效率都有所不同。线性稳压器可以完全集成并且具有电压可扩展性，但是效率不高。基于电容器的开关稳压器可以完全集成且高效，但没有电压可扩展性。基于电感的开关稳压器可能非常高效，并且电压可扩展性无法完全集成。

电源管理子系统的总体设计涉及多个挑战。电源必须有足够的空间，它必须适合所提供的空间。使用自然对流电源时，电源附近必须有足够的空间以进行冷却。如果使用强制风冷，则电源周围需要有足够的空气流通。

Dialog Semiconductor汽车事业部高级副总裁Tom Sandoval表示：“为高电流轨供电的散热难题主要与试图使器件的内部温度（结温）不超过器件规定的温度有关。” 他补充说：“较高的电流意味着较高的功耗会产生更多的热量，这使得设计一种在系统的指定环境温度下提供大电流而不会超过该器件的规定结温的器件更具挑战性。电路设计的整体效率对给定电流水平下产生的热量有重大影响。另外，用于设备的包装类型会影响设备在操作过程中的加热方式。最后，在系统级别，

设计通常可能很困难且有问题，因此需要对补偿控制周期和特定电源管理IC的操作有充分的了解。拥有面向设计的仿真工具对于加速和简化PMIC解决方案的开发很有用。

解决方案

为可穿戴设备配备微功耗SIMO降压-升压DC-DC转换器的电源管理IC（PMIC）可以成为延长电池寿命的有效工具。通过利用整个电池电压范围，由于每个输出都具有降压-升压配置的优势，这些转换器可以产生高于，低于或等于输入电压的输出电压。利用每个输出的可编程峰值电感器电流等功能，可以优化效率，输出纹波，电磁干扰（EMI），PCB设计以及设计的负载能力之间的平衡。MAX77650和MAX77651 PMIC具有集成的150mA低压差稳压器（LDO），可为噪声敏感型应用提供纹波抑制功能。SIMO控制方案中的控制器可确保及时处理所有输出。

图1：MAX77650的框图

“我们在可穿戴设备，听觉设备和低功耗物联网领域的客户群处于高端技术与美学的交汇处。这些是适合日常生活方式的品牌。Maxim Integrated移动电源产品线总监Karthi Gopalan表示，随着全球对智能AI助手，移动生物特征跟踪和精确位置跟踪的依赖性日益增强，这些市场正在获得巨大的吸引力。

她补充说：“借助Maxim Integrated的低功耗单电感器，多输出（SIMO）PMIC，我们为此类空间受限的设计提供了最小尺寸的最高系统效率。现在，我们的PMIC可以将解决方案的尺寸减少一半。这样可以腾出板子空间来包装增值模块，例如语音命令，支付，GPS接收器，生物识别，手势控制，3D识别和摄像头模块。”

在汽车应用中，PMIC面临三个主要挑战：温度，资格，安全性。汽车应用必须在-40至至少105摄氏度的环境温度范围内运行。因此，半导体器件需要在更宽的温度范围内具有出色的性能。

汽车应用要求更高的质量水平，以确保超过十年的使用过程中几乎零故障率。这对设备的设计，资格要求以及设备的测试/筛选有影响，以确保在汽车的整个使用寿命内都能达到最高的质量水平。”

在许多汽车应用中，存在与安全相关的要素，即防止故障的能力。该设备必须能够管理电气故障并提供可能的解决方案。“必须在设备中设计附加电路以支持这种功能，从而导致更高的复杂性和成本，” Sandoval说。

Dialog的高度集成的DA913X-A设备可实现较低的系统BoM成本和较小的解决方案占地面积。这些器件的效率水平超过90％，从而减少了在包括高级驾驶员辅助系统（ADAS）在内的各种系统中为大电流导轨供电时的散热设计挑战。

DA913X-A系列由配置为单输出或双输出降压转换器的三个器件组成。DA9130-A用作单通道，两相降压转换器，可提供高达10A的输出电流。DA9131-A集成了两个单相降压转换器，每个转换器可提供高达5 A的输出电流。DA9132-A还集成了两个单相降压转换器，每个转换器可提供高达3 A的输出电流。所有器件的输入电压范围为2.5 V至5.5 V，输出电压范围为0.3 V至1.9 V，使其适用于各种低压系统。外部电阻分压器支持高于1.9 V的输出电压。

图2：DA913X-A的框图