SIMO PMIC如何提高可穿戴物联网设计的能效

小尺寸和最小的功率损耗是物联网 （IoT） 硬件（尤其是可穿戴设备）的关键标准。满足这些标准通常需要一些权衡。例如，为了满足特定的功耗目标，设计人员通常不得不在增加设计尺寸方面做出妥协。本应用笔记解释了集成电源管理IC （PMIC）如何在使用单个电感器的同时操作三个独立的开关稳压器输出，从而实现由Li+电池供电的紧凑型物联网硬件。

介绍

所有行业的物联网 （IoT） 正在推动所有行业的数据采集呈指数级增长。从电器到汽车等等，自主的“智能”事物正在处理数据并共同形成通常称为物联网的网络。在这个物联网世界中，“智能”事物被松散地定义为产生具有重大价值信息的节点;但是，实现硬件 负责数据采集，进行细致的设计规划。考虑使用可穿戴设备。要启用 可穿戴设备要长时间运行，它们必须设计为高效的电源管理，并具有紧凑的外形。这包括最大化可用电池容量和超低功耗设计 同时保持较小的解决方案占用空间。

扩展电池容量

电池为便携式电子产品提供临时的、不受调节的电源。原电池是一种 一次性使用电源;二次电池通常提供一半的能量密度，同时允许充电。 最常见的可充电电池化学成分是标称电压接近3.7V的锂离子（Li+）， LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、锂镍锰钴氧化物 （NCM） 和锂镍钴氧化铝 （NCA）。一种可充电电池化学LiFePO4的标称电压约为3.3V。在为设备供电时，源电阻有限的电池会加载。由于负载的电流消耗，在使用时，可用的电池电压会降低。

负载消耗的功率越多，电池电压和有效容量的下降就越显着。 当有效容量降低时，向下游提供相同电流的可用时间较少 电路。电池的有效容量也会受到环境温度和充电/放电的负面影响 周期。由于这些原因，电池需要一种具有以下特征的调节分配形式：

尽可能高效地为多个电压轨提供电源转换

降压充满电的电池并升压已放电的电池，以在负载上保持恒定电压

防止超过最小截止电压

防止超过最大放电电流

电源管理系统所需的最高最小输入电压是系统可以运行的最低电池电压。为了最大化可用电池容量，使用最低电池电压的电源树 可能为必填项。请注意，在电池受到压力并且使用寿命开始大幅缩短之前，电池指定了最小截止电压。因此，电源树应该是 设计为在电池的最小截止电压下工作，并应进入欠压锁定状态 （UVLO）不久之后。

最大化系统效率

具有轻巧紧凑外形的可穿戴物联网设备通常需要具有减少的微型电池 运行。不使用电压轨时，电源管理系统应关闭。为了有效地 管理可穿戴物联网设计中的电压轨，电源管理集成电路 （PMIC） 可以提供 通过在需要时启用/禁用电源块实现灵活性。PMIC基本上可以实现可穿戴设备。 物联网设备在两次充电之间运行更长的时间。

集成电源树的PMIC通过管理电源排序和电源排序提供设计灵活性 切换、保护、监视和控制。使用集成电源树带来的优势 与使用分立元件设计的相同电源树解决方案相比，具有最大的系统效率，即 除PMIC外，稳压器采用单独的封装。当所有电路都在内部访问时 对于集成电源树，由于充电/放电引脚电容没有 存在于电源电路块之间。

电源管理系统以三种不同的形式执行 DC-DC 电源转换，其区别在于 物理尺寸、灵活性和效率。

线性稳压器—可以完全集成并具有电压可扩展性，但效率不高

基于电容的开关稳压器—可以完全集成且高效，但不具有电压可扩展性

基于电感的开关稳压器—可以高效且具有电压可扩展性，但往往不能完全集成

通常，基于电容的开关稳压器（也称为电荷泵）不是标准的，因为它们 输出电压可扩展性有限。例如，电荷泵被认为是栅极的合适选择 司机;然而，对于可穿戴设备中的电路模块，电荷泵没有配备输出所需的 特定电压下所需的电流。这就是为什么对于这些器件，线性和基于电感的开关 稳压器提供最灵活的电源管理。

为了最大限度地提高效率，降压稳压器为线性稳压器提供恒定的输入电压。图1描述了可穿戴物联网设备中这些电路模块的常见单电感电源树： 触觉反馈、显示、无线通信和微处理器内核。在这个典型的 实现时，从Li+电池开始的分支进入降压稳压器，并在 1.85V LDO线性稳压器，总效率为81.2%。如果将1.85V LDO线性稳压器直接连接到Li+电池，效率将达到48.7%，功耗增加10倍。这还证明了降压稳压器在电池供电系统中的价值。

图1.使用典型PMIC的通用单电感电源树。

以下两个等式计算功率损耗PL和效率？仅适用于线性稳压器。

功率损耗：PL = （V在– V外） ×伊利诺伊州

效率：？= V外/ V在

以下两个公式计算相同的参数，但适用于所有线性稳压器和开关稳压器。

功率损耗： PL = PO × （1 – ？） / ？

效率：？= 采购订单 / PI（4）

在图1中，每个电源模块效率的总乘积定义了系统效率？系统= 69.1%。 每个电源块功率损耗的总和定义了系统功率损耗Psystem损耗为56.7mW。3.3V 最大压差为100mV的LDO决定了系统所需的最小输入电压， 这是3.4V。实际系统占位面积FP由晶圆级封装（WLP）尺寸决定 （2.72mm x 2.47mm）、0402电容器（英制单位）和2.2μH 0805电感，如图2所示。

图2.使用典型PMIC对公共单电感电源树进行布局。封装尺寸为 外部组件以英制单位给出。

表 1 提供了 0402 和 0805 表面贴装元件封装的物理尺寸。

表 1.0402/0805 封装表面贴装元件尺寸和尺寸

套餐（英制单位）	尺寸（宽度×长度）
0402	5 毫米 x 1 毫米
0805	1.25 毫米 x 2.0 毫米

力量树功绩图

在电源树中，最小尺寸和最大效率往往是相互排斥的，导致 二者。要比较不同电源树实现的功率损耗和占位面积，请考虑一个数字 功绩（FoM），定义为：

品质因数：FoM = FP x PL

其中 PL 以 W 定义功率损耗，FP 以 m2 定义电源树解决方案的封装大小。 具有最低FoM的电源树是最小功率损耗PL最低的实现 占地面积 FP 组合。理想的电源树的 FoM 等于零;然而，在实践中 在应用中，通常PCB面积有限，并且由于功率转换而导致的功率损耗。FoM 为 图1中常见的单电感电源树解决方案为1.39 x 10-3。因此，电源树 同时降低功率损耗和减小占位面积的解决方案将实现更小的FoM值。

在图1所示的电源树中，还有提高系统效率、功耗和散热的空间 性能;但是，需要权衡取舍。1.2V LDO线性稳压器可以用第二个替代 板载降压稳压器，大大降低了功率损耗，但也带来了以下缺点：

需要一个额外的电感器，其高度相当于一叠五张打印纸

为可穿戴物联网设备增加超过 1mg 的重量

需要增加 8.3% 的布局面积（更大的占地面积）

产生可能损害整体系统性能的额外开关环路

电源树所需的最小输入电压保持不变

如果不降低电源树结果所需的最小输入电压，则访问 可穿戴物联网设备中的可用电池容量未最大化。常见的单电感电源 图1中的树，最小输入电压为3.3V加上LDO线性稳压器的压差， 不使用标称开路电压的LiFePO4电池的所有可用电池容量 略低于3.5V。在下游电路需要高功率的短脉冲的情况下，常见的 单电源树可能会遇到UVLO，因为负载电压之间没有足够的电压裕量 LiFePO4 和电源树运行所需的最小输入电压。这个常见的困境 可以通过使用单电感多输出 （SIMO） 拓扑结构尽可能降低问题来解决 FoM 和所需的最小输入电压。

通过具有低FoM的SIMO PMIC减少功率损耗和占地面积

为了实现高效率和热性能，可能会有一种诱惑，避免线性 稳压器，因为控制环路中始终导通的串联调整管。但是，必须考虑 可穿戴设备PCB上的空间限制。鉴于此，线性稳压器可能更好 选项，提供噪声敏感电子设备所需的清洁电压电源的额外优势，例如 作为脉搏血氧仪、耳戴式设备和生物电位 AFE。这些设计权衡是不可避免的。系统 性能不应该因为妥协而受到影响 — 事实上，这种情况为以下方面提供了机会 设计具有低FoM的高效系统电源树。

从电池的最大标称电压到最小截止电压的电源树 需要一个 DC-DC 稳压器，该稳压器在不考虑输入电压电平的情况下输出恒定电压。 同相降压或升压稳压器提供此功能。有了这种类型的调节器，我们可以 有效降低新电池/已充电电池的电压，同时提高低电池电压。 因此，电池在整个电压范围内为设备供电，从而根据 消耗的电流。

使用降压-升压拓扑作为预稳压器可增强级联线性稳压器。这样，如果 电池电压接近最小截止值时，线性稳压器从 降压-升压。降压-升压前置稳压器允许为线性 稳压器刚好高于压差，可实现最小的功率损耗和最大的效率。具有安全性 裕量高于百分之几的压差，我们可以承受未来的大负载瞬变并保持 线性稳压器的输入电压高于所需的最小 UVLO。

具有最低 FoM 的电源树包括以下功能：

高度集成的PMIC，在一个IC封装中具有控制、保护和拓扑特定功能。

在独立的多个降压-升压输出之间共享单个电感，以及一种开关控制算法，该算法可以在共享同一磁性元件的同时将多个输出保持在调节范围内。

脉冲频率调制 （PFM） 在电压开始脱离稳压之前提供每个输出轨服务。

低静态电流，智商

SIMO PMIC 可减少功率损耗和占用空间。图 3 显示了一个完全集成的 SIMO 实现。

图3.使用MAX77650/1 PMIC的SIMO电源树

在图3中，每个电源模块效率的总乘积定义了系统效率？system = 78.5%。 每个电源块功率损耗的总和定义了系统功率损耗P系统损耗= 35.5mW。The MAX77650/1 内部控制逻辑规定系统所需的最小输入电压为2.7V。实际的 系统尺寸FP由MAX77650/1晶圆级封装（WLP）尺寸（2.75mm x 2.15mm）决定， 0201 CBST电容、0402电容和2.2μH 0805电感，如图4所示。

图4.使用MAX77650/1作为SIMO电源树的布局尺寸外部封装尺寸 组件以英制单位给出。

表 2 提供了用于 CBST 的 0201 表面贴装元件封装的物理尺寸。

表 2.0201封装表面贴装元件尺寸和尺寸

SIMO通过在多个独立电感之间共享单个电感来解决占位面积问题 降压-升压输出。MAX77650/1的占位面积大约相当于针头面积的10倍，可实现 布局简单，引脚电容最小，否则会在放电期间浪费功率。

集成电源树解决方案还允许共享旁路电容器，因为引脚输出是下一个 在IC封装上相互之间。MAX77650/1允许：

引脚 SYS 和引脚IN_SBB共用同一个旁路电容器

引脚IN_LDO和引脚SBBO共用同一个旁路电容

尽可能共享旁路电容器，并降低电压轨旁路电容器的值 置于低功耗和关断模式通常会为器件的标准功能提供更多功率。 MAX77650/1 H桥降压-升压型集成了来自单个电感的三路独立输出。 拓扑结构得到图3所示的SIMO电源树，其FoM为0.682 x 10-3，几乎是普通电源的一半 单电感电源树 FoM。

此外，通过在轻负载下进入PFM模式，SIMO仅在必要时为输出供电 保持效率。当器件中的电路块经常进入低功耗或休眠模式时，PFM 变为 一个要求。通过这种方法，需要维修的输出被赋予一个充电周期，而其他输出则被赋予充电周期 被跳过。PFM 通过随着负载的降低而降低开关损耗来降低功耗。

结论

表 3 显示了与普通电源树相比，FoM 值为一半的情况，SIMO 电源树 为相同的系统负载要求提供占位面积和功率损耗的最佳组合。 SIMO 电源树的最小输入电压为 2.7V，可最大限度地利用可用电池容量。

表 3.用于通用单电感器和 SIMO 电源树的 FoM 和最小输入电压

MAX77650/1具有低FoM和最小工作电压，集成智能电源选择器。 Li+/Li-Poly充电器，可通过I配置保护功能2C、三个LED吸电流器、一个模拟多路复用器、 和几个电源监视器 AFE。MAX77650/1最小输入电压为2.7V，可最大化可用电池电量 LiFePO4电池的容量，最小截止电压为2.8V。

凭借低FoM，延长电池寿命可降低可穿戴物联网设计中更换/充电电池的成本。 低FoM确保器件可以最大限度地利用低容量电池，从而降低电池成本和 允许物联网设备更小。为应用程序的使用情况配置文件配置的 SIMO 电源树解决方案 延长可穿戴物联网设备的运行时间。

审核编辑：郭婷