超低功耗 PMIC 改进了可穿戴设计

作者：Maurizio Di Paolo Emilio，特约编辑

许多功能结合在一起，形成了一个有用的可穿戴设备。外形尺寸、设计和能源效率对于实现不仅能正确工作而且舒适、有吸引力且易于使用的设备至关重要，这些设备为提高我们的生产力、健康和生活方式提供了新的方法。永远在线的可穿戴设备和物联网 (IoT) 设备的设计人员的目标是在缩小外形尺寸的同时延长电池运行时间，这可以通过微型、高度集成的电源管理 IC (PMIC) 来实现。

可穿戴设备的光学传感精度也是一个大问题，它受到各种技术因素的影响，包括 PMIC 的选择。超低功耗 PMIC 集成了电路架构，可优化健康应用光学测量的灵敏度。例如，新的 PMIC 可在腕戴式外形尺寸中实现最高灵敏度的光学传感，以实现更准确的生命体征测量。

近年来，流通中的可穿戴传感器的数量呈指数增长。这是由于各种因素造成的，从医疗保健成本的增加到“健康狂热者”的增长——一种以健康为特征的生活方式。此外，借助互联网，消费者现在可以轻松且几乎无限制地访问有关其健康的信息。可穿戴医疗领域可靠解决方案的设计需要可靠的电子设备。可穿戴设备和智能手表等设备所需的高功能性涉及更高的能源消耗。

反过来，封装更小、更薄的持续趋势需要新一代的集成电源管理电路来促进充电。适合可穿戴技术的传统电池，例如锂离子 (Li-ion) 电池，可能适用于传感器和其他低功率需求的可穿戴设备，但它们难以满足最高性能的可穿戴要求，例如语音和手势识别、监控和传感。

可穿戴设备的印刷电路板 (PCB) 设计需要大量考虑材料的选择和符合电磁兼容性要求的正确布局。可穿戴 PCB 需要更紧密的阻抗控制，这是布局的基本要素，可实现更清晰的信号传播。

PMIC 架构典型的可穿戴设备架构包括片上系统 (SoC)、内存、显示器、传感器和电源管理模块。典型的电源管理系统包括充电器、各种降压转换器和用于蓝牙/Wi-Fi 连接的低压差稳压器 (LDO)。例如，在智能手表中，设计挑战本质上是耗散管理和电池尺寸。所有这些都涉及适当的PMIC设备。

大多数系统都需要一个充电器和各种针对常见电路功能进行调节的输出，例如，用于微控制器和通信协议的 3.3V 和 1.2V 电源总线。

PMIC 中高度可配置的集成线性加载器支持各种锂离子电池，并包括电池温度监控以增加安全性。双向 I 2 C 接口允许设计人员配置和监控器件状态。PMIC 的架构还包括一个具有监控功能的控制器。

具有降压和升压转换器的电源系统效率最高。低电压、低压差线性稳压器是低噪声设备的首选，但能效可能是一个关键因素。最佳供电系统以专用开关电源为代表。这种方法的缺点是每个开关都需要一个电感器，从而增加了 PCB 空间和可穿戴设备的尺寸。

因此，该电路需要一个单一的电源管理解决方案，该解决方案使用单输入多输出 (SIMO) 架构集成各种电源总线。通过提供多个输出，SIMO 方法与控制器的低待机电流一起延长了可穿戴设计的电池寿命。调节器以最小的损耗提供能量，该架构消除了一些重复的组件，同时节省了材料清单。

一个例子是 Maxim Integrated 的MAX20310，这是一款集成电源管理电路，将两个 SIMO 升降压输出与两个 LDO 和其他电源管理功能（如排序控制器）结合在一起。线性稳压器还可以用作电源开关，可以断开系统外围设备的非活动负载（图 1）以提高效率。

图 1：MAX20310 框图。（图片：美信集成）

光学传感精度在可穿戴设备中，光学测量的精度受用户专有的各种生物因素和设计性质的影响，与电源电压的稳定性有关。设计人员努力提高光学系统在信噪比 (SNR) 方面的灵敏度，以涵盖广泛的应用。使用低静态电流稳压器会导致设计妥协，从而在纹波或长稳定时间方面降低 SNR。

一种解决方案是高度集成的 PMIC，例如 Maxim 的MAX20345，它采用降压-升压稳压器，在高频下具有低纹波，不会干扰心率、血氧 (SpO 2 ) 和血糖水平等测量。

更高精度的测量可以帮助患者做出更明智的选择。例如，实时血糖水平可以帮助他们更好地决定他们全天需要的食物类型、体育活动和药物。

心率的光学测量是使用光电容积描记术 (PPG) 完成的，这是一种测量动脉血容量的光学技术。根据测量条件，控制器可以将性能提高多达 7 dB。

MAX20345 PMIC 集成了一个锂离子电池充电器和六个稳压器，每个稳压器都具有大约 500 nA 的超低静态电流（图 2）。三个高效同步降压稳压器使用脉冲频率调制 (PFM) 控制方案。这些控制器的输出电压可以通过一个高达 0.7 V 的 I 2 C 接口进行编程。此外，降压稳压器支持动态电压调节 (DVS)，从而使设计人员能够进一步改善系统功耗。

图 2：MAX20345 的功能框图。（图片：美信集成）

在可穿戴应用中延长电池寿命的目标也是 Dialog Semiconductor 的任务。其高度集成和低静态电流的DA9070 PMIC集成了电流高达 500 mA 的线性充电器以加速充电周期、降压稳压器、电池监控、看门狗和各种保护功能。

DA9070 提供多种省电模式以延长电池寿命。可编程电源状态可优化操作模式下的性能并延长存储模式下的电池寿命。集成的高效升压稳压器通过广泛的可配置输出电压支持传感器和显示器要求（图 3）。与其他分立解决方案相比，集成 PMIC 可将电源管理占用空间减少 25%。

图 3：工作电压范围为 2.5V 至 5.5V 的 DA907 框图。（图片：对话半导体）

结论尽管 IC 正在缩小其物理尺寸，但其容量和复杂性仍在不断增加，并对电源造成压力。可穿戴产品除了体积小外，通常还需要灵活的外形尺寸以适应人体的形状和运动，这进一步使设计过程复杂化。

可穿戴设备设计的主要目标是外形紧凑、重量轻和超低能耗。PMIC 在工作模式和关断状态下的低功耗以及超低静态电流对于增加执行时间至关重要，而 DC/DC 转换器的低功耗对于产品优化是必不可少的。

审核编辑 黄昊宇