无线 IoT 行业正在生产大量电池供电设备(图 1)。尽管基本的电池管理系统很容易理解,但具体配置随电池技术(一次、二次、化学物质或形状规格)和负载约束(电压、电流或噪声敏感度)而异。在所有这些变量条件下,我们似乎应该采用分立式方法来设计系统:每个模块采用一片专用 IC,例如图 2 所示的典型系统。然而,该方法与此类便携、轻巧装置的其他重要要求相矛盾,尤其是对小尺寸的要求。本文探讨三种非常重要的便携式应用,证明即使需要多个模块,围绕 SIMO 核心转换器量身定制的集成式电源管理方法也能轻松解决这一难题。

 

集成式电源设计方法

传统方案通常会使用多个开关调节器及相关电感或使用多个线性调节器。对于便携式电源管理,单电感多输出(SIMO)架构解决了传统方案中面临的电源效率低下和尺寸问题。

 

与其他方法相比,SIMO 方案以更小的空间提供更高的功率,支持更长的电池寿命和更小的外形尺寸。

 

虽然 SIMO 转换器 IC 在集成度方面是一大进步,但可能需要附加功能来满足更加复杂的系统要求。这就带来了问题:有没有可能将核心 SIMO 转换器与各种不同等级的辅助功能集成在一起,从而将整个电源管理系统在单片 IC 中实现?

 

图 1. 无线连接的 IoT 设备

 

在以下的案例分析中,我们将 SIMO 技术应用到三种截然不同的便携式应用中,从而解决了这一疑问。

 

典型可充电电池系统

(图 2)所示为典型的可充电电池系统。有交流适配器存在时,交流适配器通过充电器为电池充电,同时通过 SW2 为负载供电;在没有适配器的情况下,电池接管,通过 SW1 为系统供电。由于空间和成本限制,通常必须使用多个 LDO,同时利用单个开关调节器(BUCK)为最重的负载供电。可能还需要一个或多个 LED 驱动器,以支持 IR 遥控或 RGB 信号。

 

在以下部分,我们针对三种不同应用对该系统进行定制。

 

图 2. 典型耳戴式设备电源流程图

 

图 3. 使用 SIMO PMIC1 的可充电电池系统


SIMO PMIC 可充电电池系统

(图 3)所示为支持可充电电池系统的全集成 SIMO PMIC 方案。该方案利用两个升 / 降压开关调节器(BB3、BB2)代替 LDO (图 2 中的 LDO3、LDO2),实现对两个负载高效供电。第三个升 / 降压调节器(BB1)代替图 2 中的 BUCK。集成的 LDO1 用于噪声敏感的负载。方案也集成了 LED 驱动器。最后,图 2 中的充电器和开关也集成到图 3 中的充电器和电源通路模块中。

 

使用 SIMO 开关调节器与使用线性调节器的方案相比,前者的电源效率和尺寸优势显而易见。通过使用升 / 降压调节器,即使在输入电压下降到输出电压以下时也能进行调节,从而将电池的最后一滴能量用尽。

 

案例分析:可充电遥控器

电视或智能家居等的可充电遥控器都需要电源管理系统,包括充电器和红外 LED 驱动器。

 

对于这些系统,SIMO PMIC 是理想选择。图 5 中的 PMIC 采用一个线性充电器(375mA)、一个三路输出 SIMO 升 / 降压调节器(共 300mA)、一个 LED 驱动器(425mA)和一个 LDO (50mA)。双向 I2C 接口允许配置和检查器件的状态。

 

(图 4)所示为 PMIC 中充电器和开关的实现。智能电源通路电路在系统(SYS)和电池之间分配功率。当交流适配器作为电源时,输入控制环路将系统电压(SYS)调节到 4.5V (VSYS-REG)。在这种情况下,充电器(晶体管 T2 及其相关控制)由 SYS 引脚供电,并为电池充电。在交流适配器不提供输入电源的情况下,电池通过 T2 为 IC 电路及系统负载供电。与(图 2)中的配置相比,由于 T2 既作为线性充电器(有交流适配器时)的传输晶体管,又作为开关(无交流适配器时),所以这种配置具有更高的硅效率。

 

图 4. 智能电源通路

 

图 5. SIMO PMIC1 方案(21mm2)

 

得益于其 SIMO 开关调节器和高效偏置 LDO,小尺寸 PMIC (采用 2.15mm x 3.15mm x 0.5mm WLP 封装)以最小损耗提供电源,PCB 空间仅为 21mm2,不足普通实现方法的一半。图 5 所示的方案布局考虑了所有无源和有源元件。

 

此外,PMIC 在待机模式下的耗流仅为 300nA,优于其他可用方案至少 2 倍。这种能力及其效率增益延长了宝贵的电池寿命,通过使用最小电池帮助减小系统尺寸,同时延长两次充电之间的时间间隔。

 

SIMO PMIC 非充电电池系统

(图 6)中,更小的 PMIC2 实现了非充电电池系统的所有必须功能。

 

图 6. 采用 SIMO PMIC2 的非充电电池系统

 

图 7. SIMO PMIC2 方案(16mm2)

 

案例分析:非充电活动监测仪

活动监测仪和胰岛素笔采用 LED 实现各种功能,通常由 AA 型或 AAA 型圆柱电池供电。智能胰岛素计量装置有助于为胰岛素笔加注正确数量的胰岛素,并在加注结束时点亮 LED。如身体活动、癫痫发作和睡眠监测仪等活动监测仪都像手表一样戴在手腕上。将 LED 发出的光调谐到各种不同的频率,穿透皮肤。光电检测器检测血液和身体组织反射的调制信号,提供关于病人物理活动的信息,例如心率、运动和呼吸。

 

SIMO PMIC 是此类系统的理想选择。(图 7)中的 PMIC 采用 1 个三路输出 SIMO 升 / 降压调节器(共 300mA)、3 个 LED 驱动器(每个 3.2mA)和 1 个 LDO (150mA)。双向 I2C 接口允许配置和检查器件的状态。

 

该 PMIC (采用 2.15mm x 2.75mm x 0.7mm WLP 封装)以最小 PCB 面积(16mm2)实现供电。(图 7)所示的方案布局考虑了所有无源和有源元件。

 

此外,PMIC 在待机模式下的耗流仅为 300nA,有效模式下仅为 5.6µA。

 

SIMO 小尺寸非充电电池系统

(图 8) 中,精简型 PMIC3 集成 3 个升 / 降压调节器,形成最简单、最小尺寸的非充电系统实现方法。

 

图 8. 采用 SIMO PMIC3 的非充电电池系统

 

案例分析:纽扣电池供电传感器

湿度及其他 IoT 传感器要求小尺寸、可靠的电源管理系统,以实现最小尺寸及最长工作时间和保存期限。

 

具有低静态电流的 SIMO PMIC 是此类应用的理想选择。图 9 所示的 PMIC 采用三路输出 SIMO 升 / 降压转换器(共 300mA)。双向 I2C 接口允许配置和检查器件的状态。

 

该 PMIC (采用 1.77mm x 1.77mm x 0.5mm WLP 封装)以最小 PCB 面积(14mm2)实现供电。图 9 所示的方案布局考虑了所有无源和有源元件。

 

此外,PMIC 在待机模式下的耗流仅为 330nA,有效模式下仅为 1.5µA。

 

图 9. SIMO PMIC3 方案(14mm2)

 

总结

我们讨论了实现电池供电设备的小尺寸和高效率电源管理系统面临的挑战。提出了量身定制的集成方案,通过选择性地将支持既定复杂度的必须电路集成到单片 PMIC,充分发挥 SIMO 架构的空间和电源效率的优势。

 

我们将 SIMO 技术应用到三种不同的便携式应用。对于每种情况,SIMO PMIC 都根据应用进行定制,获得了最佳的结果,实现了最小 PCB 尺寸和较长电池寿命。

 

第一款 PMIC (MAX77278)集成线性充电器、智能电源通路、三路输出 SIMO 升 / 降压转换器、LED 驱动器和 LDO,是可充电应用的理想选择。

 

第二款 PMIC (MAX77640)集成三路输出 SIMO 升 / 降压转换器、3 个 LED 驱动器和 1 个 LDO,为非充电应用提供量身定制的方案。

 

第三款 PMIC (MAX17271)集成三路输出 SIMO 升 / 降压转换器,专门为小尺寸、精简型应用量身定制。

 

这种量身定制的电源管理实现方案,最大程度发挥了 SIMO 架构的空间和电源效率优势,为便携式应用提供最小尺寸、最高效率的电源管理方案。