可穿戴设备电源设计难？那是因为你还不熟悉SIMO PMIC
作者：Doctor M
便携式电子设备尤其是可穿戴设备正在成为我们日常生活中不可或缺的一部分，这些设备让我们的学习、工作、锻炼、旅行、交流和监控等事情变得非常方便。比如在医疗应用中，可穿戴设备可用于监测心率、血压、血氧水平、运动期间消耗的卡路里、睡眠跟踪等。
为了提供更好的用户体验，高性能、小尺寸和低功耗是这些可穿戴设备的关键指标。若要满足这些指标通常需要在电路设计上进行一些权衡。例如，为了满足特定的功耗目标，设计师通常不得不增加设备的尺寸。
那么，有没有办法能够做到既不增加这些电池供电设备的尺寸，又能有效延长电池的寿命呢？答案是：有！
SIMO PMIC：为小尺寸高能效应用打开一扇窗
具有轻巧紧凑外形的可穿戴设备通常使用的是微型电池。尽管在过去十年中电池的容量有所提高，但储存的电量在有限的一段时间后会迅速耗尽。因此，需要定期更换电池或将其更换为可充电电池，可穿戴设备的成本就会增加。
电源管理集成电路 (Power Management IC，PMIC) 是一种高集成度电源产品，它将传统的多路输出电源封装在一颗芯片内，从而以更小的体积在多电源应用场景中实现高效率，常用于以电池作为电源的装置。当应用于可穿戴设备时，PMIC不仅优化了布局，还能最大化系统的能源效率，从而有效延长电池的使用寿命。
直流-直流 (DC-DC) 转换器为电子产品中最常用的PMIC，因具有较高的转换效率，近年来已经成为市场的主力。依据工作模式及储能元件的不同，DC-DC转换器又可分为线性稳压器 (LDO) 、电感式降/升压 (Buck/Boost) 开关DC-DC转换器以及电容式开关DC-DC转换器 (Switched Capacitor DC-DC Converter) 。这三种不同架构的DC-DC转换器在物理尺寸、灵活性和效率方面存在着一些差异，其中：
· LDO可以完全集成且电压可扩展性好，但效率不高；
· 电容式开关稳压器同样可以完全集成且效率高，但电压的可扩展性差；
· 电感式开关稳压器效率非常高且电压具有可扩展性，缺点是不能完全集成。
电容式开关稳压器 (也称为电荷泵) 其输出电压可扩展性极其有限。通常，电荷泵被认为是栅极驱动器 (Gate Drivers) 的合适选择。然而，在可穿戴设备的电路中，没有配备电荷泵在输出特定电压下所需的电流，因此，可穿戴设备大多选择线性LDO和电感式开关稳压器 (Buck/Boost) ，二者均能提供设计中所需的灵活的电源管理。
在可穿戴设备的设计中，是选择线性LDO还是降/升压拓扑，这其中也需要做一定的权衡。在传统的开关稳压器结构中，稳压器的每路输出都需要一个独立电感，这些电感往往体积大、成本高，不利于实现小尺寸封装。为减小尺寸，人们常常会选择紧凑和低噪声的LDO，但LDO的损耗又比较大。当然，也不是别无出路，我们还有另一种选择。
基于单电感多输出 (SIMO) 架构的PMIC采用单电感作为储能元件，支持多路独立的直流输出。与传统的DC-DC转换器相比，SIMO电源转换器通过单电感提供多路输出，将原本需要多个分立元件的功能集成到较小封装，在节省空间的同时仍然保持高效率，为要求延长电池寿命的小尺寸设备提供了最佳方案。
图1：SIMO架构方框图 (图源：Maxim)
Maxim SIMO PMIC方案：有效缩减IoT设备的电源尺寸
断缩小电子产品尺寸、减少发热并提升效率、延长电池寿命，使电子产品在消费者的生活中提供更完整的功能是系统设计者始终如一的追求。Maxim Integrated (Maxim) 有丰富的SIMO PMIC产品和方案，针对便携式设备独特的设计需求有专用的SIMO PMIC可供选择，比如MAX77650和MAX77651。
这两种产品采用微功耗SIMO升/降压DC-DC转换器设计，集成150mA LDO为噪声敏感电路供电。在MAX77650/MAX77651中，SIMO利用单个电感提供三路独立的可编程电压输出，形成创新的电源管理方案，非常适用于小型Li+电池供电产品。
图2：SIMO架构的MAX77650/1布局示意图 (图源：Maxim)
基于上述方案，Maxim不断扩大其SIMO PMIC产品组合，随后推出的MAX17270、MAX77278、MAX77640/MAX77641和MAX77680/MAX77681等一系列PMIC产品，更是将电源管理电路尺寸最大缩减了近一半，广泛支持可穿戴设备、耳戴式设备、传感器、智能家居等自动化控制中心以及物联网 (IoT) 等空间受限产品。
TI 双电源转换器TPS65135：为AMOLED显示提供电源驱动
TPS65135器件是由Texas Instruments (TI) 公司提供的一款高效的分离轨电源。该转换器具有单电感器和多输出 (SIMO) 拓扑，因此使用的外部组件极少。该器件采用降压/升压拓扑，并生成高于或低于输入电源电压的正负输出电压。
TI称TPS65135拥有良好的线路瞬态调节能力，这一特性非常必要，例如，可避免移动通信系统在传输阶段产生的输入电压偏差对手机显示的干扰。根据TI的应用笔记，这一特性主要源于SIMO拓扑，原理是这样的：
在不连续传导模式 (DCM) 中，传输到输出端的电流由电感电流的峰值和斜率决定。如图3所示，其中阴影区域显示的平均输出电流对于不同的输入电压是相同的。因为转换器使用峰值电流模式控制，所以只要负载电流固定，峰值电流就固定。电感电流的下降斜率由正负输出电压与电感值之间的差值给出，与输入电压无关。
因此，在放电时，输入电压的任何变化都会改变转换器的占空比，但不会改变电感电流的峰值或斜率。因此，面积A给出的平均输出电流在任何输入电压变化下都保持不变。
图3：TPS65135具备固有的良好线路瞬态调节能力 (图源：TI)
TPS65135产品可用于从2.5V至5.5V范围内的输入电源电压生成分流轨电源，并针对单电池锂离子电池的3.3 V轨进行了优化，图4为TPS65135在±5V AMOLED显示电源中的典型应用。仅通过一个2.2μH电感，TPS65135在一个降压－升压拓扑结构中运行就可生成一个正输出电压和负输出电压。当输出电流不匹配达到50%或更低，它可以通过降压-升压产生高达6V的正输出电压和低至-7V的负电压 (即输入电源电压可能高于或低于正输出电压) 。两个输出都由EN引脚控制：高逻辑电平时启用两个输出，低逻辑电平时禁用它们。当输入电源电压过低，无法正常工作时，集成的UVLO功能将禁用设备。
图4：TPS65135在±5V AMOLED显示电源中的典型应用 (图源：TI)
结语
薄、小、轻是可穿戴设备的物理要求，也是当今可穿戴技术限制电池寿命的主要原因。符合要求的传统电池，如锂离子硬币电池，可能适合传感器和其他低功耗可穿戴设备，但它们难以满足健身带和智能手表等功能更强的可穿戴设备的需求。延长电池寿命对于这类设备获得市场认可至关重要。任何人都不希望智能穿戴设备的电池在几个小时内用完。然而，电池复杂的内部结构会大大增加设备的尺寸和成本，给人们佩戴带来不便。
为了使可穿戴设备能够长时间运行、能量收集、电池管理、电源管理和低功耗解决方案都是延长可穿戴设备电池寿命的有效措施。SIMO PMIC解决方案既提高了设备的能源效率，较高的集成度还大幅缩减了电路板的尺寸，是电池供电设备电源管理的理想方案。
