优化穿戴设备电源降低功耗

一路上

前言

现在的电子产品供电系统越来越复杂，合理的搭配供电电路是工程师不得不思考的一个问题！ 本文通过一款智能穿戴的电源管理IC（PMIC）是如何优化供电结构降低能耗，延长电池使用时间。在空间比较小的产品选用集成度高的电源管理IC（PMIC）减小PCB的尺寸。

典型的电源管理实现

典型的可听电源管理系统如图 1 所示。电源管理 IC (PMIC) 使用电池充电器、降压转换器和 LDO 为传感器供电。第二个 IC，一个双 LDO，为微控制器、蓝牙®和音频供电。为简单起见，未显示外部无源器件。

图 1. 典型的电源功率流程图。

典型的电源树

图 2显示了典型实施的完整电源树。大量使用 LDO 导致整体效率仅为 69.5%。

图 2. 典型的可听功率流程图。

典型解决方案尺寸
图 2 中功率流程图的所有有源和无源组件都包含在图 3所示的解决方案中。

这种典型的耳戴式解决方案占用的 PCB 面积约为 41.5mm 2。相对较低的集成度以及使用多个 LDO 和更大的无源器件会导致解决方案在空间和功耗方面效率低下。

图 3. 典型的电源解决方案 (41.5mm 2 )。

创新的解决方案

图 4 中的电源管理 IC 将电池充电器和为传感器 (3.3V)、微控制器 (1.2V)、蓝牙和音频 (1.85V) 供电所需的调节功能集成在一个芯片中。小型 PMIC 消除了与使用多个封装相关的空间浪费。SIMO 升降压稳压器实现了三个使用单个电感器的开关稳压器，从而减少了必要的空间。此外，高频操作允许使用小型电感器，进一步最小化所需空间。一个 LDO 板载用于噪声敏感负载。为简单起见，未显示外部无源器件。

图 4. MAX77650 高度集成的 PMIC。

MAX77650 电源树

图 5显示了 PMIC 电源树，其中包含每个稳压器的输出电压、负载电流、效率和功耗 (PD)。四个负载中的三个通过高效 SIMO 开关稳压器连接到 Li+ 电池。第四个负载由 LDO 从 2.05V SIMO 输出供电，可实现 90.2% 的效率 (1.85V/2.05V)。整体系统效率高达 78.4%。

两种解决方案的功率性能比较如表 1所示。

图 5. MAX77650 电源树。

表 1. SIMO 优势与传统解决方案

范围	传统解决方案	情况	SIMO 优势
Li+ 电池电流	49毫安	43.4毫安	SIMO 节省  5.6mA
系统效率	69.50%	78.40%	SIMO 效率提高  8.9%

SIMO 解决方案的卓越效率可显着降低电池消耗，而其更宽的工作范围（低至 2.7V）可延长可听设备的无束缚运行时间。

SIMO 转换器

图 6显示了 SIMO 转换器的框图（除电感器外，所有组件均已集成）。这种架构的美妙之处在于它能够整合三个使用单个电感器的开关稳压器。开关稳压器以最小的损耗提供功率，巧妙的架构无需为每个开关稳压器配备一个电感器。

图 6. SIMO 电源框图。

电感均流

在迟滞不连续电流控制模式下，电感器在 M1 和 M4 以 V IN /L的速率“导通”时建立电流。当达到设定限值时，电流通过 M2 和 M3_x 晶体管传送到选定的输出，如图 7所示。输出按照其输出比较器请求的顺序进行服务。

图 7. SIMO 电流波形。

降压-升压架构优势

穿戴设备与标准立体声蓝牙耳机的主要区别之一是集成了一个或多个光学或惯性 MEMS 传感器。光学传感器使用集成 LED 的反射来测量血氧、脉搏率或其他生命体征。为了产生足够的光强度，LED 需要在比典型锂电池范围更高的电压范围（4V 至 5V）下运行。设计人员面临一个艰难的选择：为系统添加降压-升压，这需要另一个 IC；添加另一个电感器和更多电容器，这会占用宝贵的空间和体积；或牺牲信噪比，并冒着测量不准确和用户体验不佳的风险。SIMO 升降压架构通过使用任何一个设置为所需电压的输出最高 5V。

更小空间中延长电池工作时间

得益于其 SIMO 开关稳压器和高效偏置 LDO，小型 MAX77650 PMIC (2.75mm x 2.15mm x 0.8mm WLP) 在不到典型实施方案一半的 PCB 空间中以最小损耗提供功率。图 8中的解决方案布局考虑了所有有源和无源组件。

图 9.  解决方案 (19.2mm 2 )

总占用的电路板空间仅为 19.2mm ，待机模式下仅消耗 300nA 电流，在工作模式下仅消耗 5.6µA。这节省了宝贵的电池寿命，并通过允许使用尽可能小的电池，同时延长每次充电之间的使用时间，再次有助于减小系统尺寸。