用于可穿戴設備和汽車(chē)的電源設備

2021-04-29

用于可穿戴設備和汽車(chē)的電源設備

PMIC是小型電池供電設備的最佳選擇，因為它們可以在單個(gè)芯片中提供完整的電源解決方案，并包括電壓轉換器，調節器，電池電量指示器，電池充電器和LED驅動(dòng)器等功能。

低功率PMIC必須提供緊湊的外形尺寸和高效率，以在可穿戴設備中提供較長(cháng)的電池壽命。在諸如SoC（片上系統），FPGA和微控制器之類(lèi)的計算密集型系統中，目標是使每瓦性能最大化，從而提高整體系統效率。

盡管這是設計階段的重要方面，但對于電氣關(guān)鍵環(huán)境的車(chē)輛，直流電源管理對于ADAS系統設計人員而言卻鮮為人知，但至關(guān)重要。PMIC解決方案提供直流電源保護，低靜態(tài)電流和EMI降低，為車(chē)輛的能源管理提供了舒適的環(huán)境。

在各種設備中采用PMIC解決方案有助于有效地使用電源并延長(cháng)了這些設備的使用壽命。預計在不久的將來(lái)，對電源管理IC的需求將會(huì )增加。

挑戰性

電源管理已成為一個(gè)復雜的問(wèn)題，隨著(zhù)微電子系統在尺寸減小和功耗要求不斷提高方面的發(fā)展，開(kāi)發(fā)人員應引起廣泛關(guān)注：這是可穿戴電子系統正在發(fā)生的事情。電力收集技術(shù)和最新一代的超級電容器的應用可能是有效解決此類(lèi)問(wèn)題的好策略。

輕巧緊湊的可穿戴式物聯(lián)網(wǎng)設備需要體積小巧的電池，且運行時(shí)間短。電源管理集成電路（PMIC）可通過(guò)在需要時(shí)啟用/禁用電源塊來(lái)有效管理可穿戴式IoT設計中的電壓總線(xiàn)，從而提供靈活性。PMIC實(shí)際上可以使可穿戴式IoT設備在兩次充電之間運行更長(cháng)的時(shí)間間隔。除設計靈活性外，PMIC還包括保護，監視和控制。

電源管理系統將DC-DC電源轉換為三種不同的形式，大小，靈活性和效率都有所不同。線(xiàn)性穩壓器可以完全集成并且具有電壓可擴展性，但是效率不高?；陔娙萜鞯拈_(kāi)關(guān)穩壓器可以完全集成且高效，但沒(méi)有電壓可擴展性?；陔姼械拈_(kāi)關(guān)穩壓器可能非常高效，并且電壓可擴展性無(wú)法完全集成。

電源管理子系統的總體設計涉及多個(gè)挑戰。電源必須有足夠的空間，它必須適合所提供的空間。使用自然對流電源時(shí)，電源附近必須有足夠的空間以進(jìn)行冷卻。如果使用強制風(fēng)冷，則電源周?chē)枰凶銐虻目諝饬魍ā?span>

Dialog Semiconductor汽車(chē)事業(yè)部高級副總裁Tom Sandoval表示：“為高電流軌供電的散熱難題主要與試圖使器件的內部溫度（結溫）不超過(guò)器件規定的溫度有關(guān)。” 他補充說(shuō)：“較高的電流意味著(zhù)較高的功耗會(huì )產(chǎn)生更多的熱量，這使得設計一種在系統的指定環(huán)境溫度下提供大電流而不會(huì )超過(guò)該器件的規定結溫的器件更具挑戰性。電路設計的整體效率對給定電流水平下產(chǎn)生的熱量有重大影響。另外，用于設備的包裝類(lèi)型會(huì )影響設備在操作過(guò)程中的加熱方式。最后，在系統級別，

設計通?？赡芎芾щy且有問(wèn)題，因此需要對補償控制周期和特定電源管理IC的操作有充分的了解。擁有面向設計的仿真工具對于加速和簡(jiǎn)化PMIC解決方案的開(kāi)發(fā)很有用。

解決方案

為可穿戴設備配備微功耗SIMO降壓-升壓DC-DC轉換器的電源管理IC（PMIC）可以成為延長(cháng)電池壽命的有效工具。通過(guò)利用整個(gè)電池電壓范圍，由于每個(gè)輸出都具有降壓-升壓配置的優(yōu)勢，這些轉換器可以產(chǎn)生高于，低于或等于輸入電壓的輸出電壓。利用每個(gè)輸出的可編程峰值電感器電流等功能，可以?xún)?yōu)化效率，輸出紋波，電磁干擾（EMI），PCB設計以及設計的負載能力之間的平衡。MAX77650和MAX77651 PMIC具有集成的150mA低壓差穩壓器（LDO），可為噪聲敏感型應用提供紋波抑制功能。SIMO控制方案中的控制器可確保及時(shí)處理所有輸出。

圖1：MAX77650的框圖

“我們在可穿戴設備，聽(tīng)覺(jué)設備和低功耗物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的客戶(hù)群處于高端技術(shù)與美學(xué)的交匯處。這些是適合日常生活方式的品牌。Maxim Integrated移動(dòng)電源產(chǎn)品線(xiàn)總監Karthi Gopalan表示，隨著(zhù)全球對智能AI助手，移動(dòng)生物特征跟蹤和精確位置跟蹤的依賴(lài)性日益增強，這些市場(chǎng)正在獲得巨大的吸引力。

她補充說(shuō)：“借助Maxim Integrated的低功耗單電感器，多輸出（SIMO）PMIC，我們?yōu)榇祟?lèi)空間受限的設計提供了最小尺寸的最高系統效率?，F在，我們的PMIC可以將解決方案的尺寸減少一半。這樣可以騰出板子空間來(lái)包裝增值模塊，例如語(yǔ)音命令，支付，GPS接收器，生物識別，手勢控制，3D識別和攝像頭模塊。”

在汽車(chē)應用中，PMIC面臨三個(gè)主要挑戰：溫度，資格，安全性。汽車(chē)應用必須在-40至至少105攝氏度的環(huán)境溫度范圍內運行。因此，半導體器件需要在更寬的溫度范圍內具有出色的性能。

汽車(chē)應用要求更高的質(zhì)量水平，以確保超過(guò)十年的使用過(guò)程中幾乎零故障率。這對設備的設計，資格要求以及設備的測試/篩選有影響，以確保在汽車(chē)的整個(gè)使用壽命內都能達到最高的質(zhì)量水平。”

在許多汽車(chē)應用中，存在與安全相關(guān)的要素，即防止故障的能力。該設備必須能夠管理電氣故障并提供可能的解決方案。“必須在設備中設計附加電路以支持這種功能，從而導致更高的復雜性和成本，” Sandoval說(shuō)。

Dialog的高度集成的DA913X-A設備可實(shí)現較低的系統BoM成本和較小的解決方案占地面積。這些器件的效率水平超過(guò)90％，從而減少了在包括高級駕駛員輔助系統（ADAS）在內的各種系統中為大電流導軌供電時(shí)的散熱設計挑戰。

DA913X-A系列由配置為單輸出或雙輸出降壓轉換器的三個(gè)器件組成。DA9130-A用作單通道，兩相降壓轉換器，可提供高達10A的輸出電流。DA9131-A集成了兩個(gè)單相降壓轉換器，每個(gè)轉換器可提供高達5 A的輸出電流。DA9132-A還集成了兩個(gè)單相降壓轉換器，每個(gè)轉換器可提供高達3 A的輸出電流。所有器件的輸入電壓范圍為2.5 V至5.5 V，輸出電壓范圍為0.3 V至1.9 V，使其適用于各種低壓系統。外部電阻分壓器支持高于1.9 V的輸出電壓。

圖2：DA913X-A的框圖