选择合适的PMIC来提高光学传感器信噪比

升压转换器通常用于提高便携式和可穿戴设备中的电池电压。然而，它们表现出的行为会对光学传感应用中的信噪比（SNR）产生负面影响。在本设计解决方案中，我们解释了为什么会发生这种情况，然后介绍一种使用PMIC的新型电源管理，该PMIC具有升压转换器，专门设计用于在光学检测应用中最大化SNR。

介绍

在你对可穿戴设备的圣杯的不懈追求中，即更长的电池寿命，你有没有考虑过 您正在使用的节能技术实际上可能对 设备设计用于的功能？具有讽刺意味的是，是的，但这只是随着可穿戴设备的激增。 我们已经开始更好地了解他们何时以及如何消耗电池电量。这种理解正在导致新的 可以改进普遍接受的节能方法的技术。在此设计解决方案中，我们回顾了 目前在光学传感应用中管理电池电压的方式以及这种方法的注意事项。 然后，我们考虑使用克服这些限制的新型PMIC的优势，从而提高传感器性能。 同时降低功耗。

光学传感

光学传感器通常用于测量心率和血氧合（SpO）等健康指标2). 这些测量基于一种称为光电容积脉搏波（PPG）的技术。PPG 信号由下式获得 使用发光二极管照亮皮肤并检测反射光强度的变化（图2） 使用光电二极管，其产生与接收光量成比例的电流。

图2.使用 LED 和光电二极管的 PPG 信号。

进行精确测量所需的光脉冲数量和强度将取决于以下用例： 特定时间。例如，当佩戴者从事剧烈的体能活动时，测量更具挑战性 活动比睡眠期间。佩戴者的环境条件和皮肤色素沉着也会影响LED电流。

电池管理

由于某些类别的锂电池（范围从3.2V到4.35V）用作电源，因此升压 （或降压-升压）DC-DC转换器用于将电池电压增加到任何标称输出电压（VOUT_NOM) 在重负载操作（通常为 5V）期间，光学传感器需要。由于电池寿命至关重要，因此 重要的是转换器具有低静态电流消耗（IQ).为了在照明时节省电力 在负载条件下，这些转换器在通常称为“突发模式”的情况下工作。对于较重的负载， 转换器转换到“连续电流”工作模式。两种工作模式如图 3 所示。

图3.升压转换器的轻负载和重负载条件。

突发模式是一种常用的电源架构，用于在轻负载条件下节省能源。但是，它可能会导致 用于光学传感应用时的问题，如以下各节所述。

突发模式纹波

输出电压上的纹波（VOUT_BST） 既是低频又是高振幅。高振幅纹波原因 LED光脉冲不一致，导致测量不一致，而低纹波频率足够接近 到光学传感器的采样频率，有效地成为“带内”噪声源，而“带内”噪声源不能 被传感器充分剔除。突发模式纹波 （120mV， 1.6kHz），适用于负载电流为 10mA如图4所示。

图4.具有10mA负载电流的升压转换器的突发模式电压纹波。

过渡之间不可预测的噪声

有时，当转换器在LED脉冲期间从轻负载操作过渡到重负载操作时，不可预测 输出电压上可能会出现噪声，如图5所示。这再次导致可变的 LED 电流， 可能导致测量不可靠。

图5.模式之间转换期间的噪声。

对负载瞬变的响应缓慢

LED光脉冲的典型持续时间约为数百微秒。因此，对于一致的 LED 脉冲电流，响应负载瞬变时的建立时间必须尽可能短（<<117μs）。图6显示，典型升压转换器的瞬态响应时间可高达50μs， 这是LED光脉冲持续时间的重要组成部分。

图6.模式转换的响应时间。

由缓慢瞬态响应引起的问题如图7所示，瞬态几乎没有消失 单脉冲持续时间的结束。

图7.对单脉冲持续时间的负载瞬变响应缓慢。

用于光学传感器的升压转换器

显然，一些升压转换器表现出突发模式行为，这给光学检测应用带来了问题。 图8所示的PMIC包括一个降压-升压转换器，旨在克服这些问题。

图8.MAX20345带降压-升压转换器的PMIC。

如图9所示，该器件降压-升压转换器的轻负载纹波幅度要低得多。 （≤ 20mV），确保轻负载LED电流比其他转换器更一致。它还以更高的 给定负载下的频率。例如，当负载低至5mA时，开关频率超过100kHz。这 更高的工作频率有助于防止开关噪声干扰测量信号。

图9.较低幅度降压-升压转换器的突发模式纹波（MAX20345）。

其次，对负载瞬变的响应时间（<3μs）明显低于LED脉冲持续时间（117μs）和 是前面显示的转换器的一个数量级改进。这种更快的响应意味着负载瞬态 降压-升压的响应时间不会限制光学系统测量的总体设置时间。重要地 对于该转换器，负载瞬态响应时间和纹波特性是一致的，并且 可在脉冲之间重复。

如表1所示，当使用传统的突发模式转换器为MAX86140光脉搏血氧仪和心率传感器供电时，与理想值相比，传感器的SNR性能下降高达7dB。 实验室条件（89分贝）。值得注意的是，当由该PMIC上的新型降压-升压转换器供电时，传感器的 信噪比性能接近理想的实验室条件。

表 1.MAX86140的未滤波信噪比性能（dB）

 

光电二极管电流 （μA）	MAX20345 信噪比 （dB）	竞争对手信噪比 （dB）
1.5	80.74	77.96
15	88.20	81.55
32	88.78	81.20

 

与降压-升压稳压器一起，该PMIC还具有三个降压稳压器和三个低压差（LDO） 线性稳压器，提供多达七个稳压电压，每个稳压具有超低静态电流。这允许PMIC为多个外设和传感器（包括MAX86140光学AFE）供电，包括 典型可穿戴设备设计中的微控制器，如图10所示。PMIC 采用 56 凸块， 0.4mm 间距，3.37mm x 3.05mm 晶圆级封装 （WLP）。

图 10.带有降压-升压稳压器的PMIC为多个外设、传感器和微控制器供电。

总结

在这个设计解决方案中，我们回顾了可穿戴设备中的光学传感器如何测量心脏等健康指标。 速率和血液氧合。这些传感器需要比锂离子电池提供的电压更高的电压，需要 升压转换器。但是，典型的“突发模式”升压转换器可能会表现出对SNR产生负面影响的行为 这些传感器的性能。然后，我们介绍了一种新型电源管理解决方案，使用具有降压-升压功能的PMIC。 专为光学传感应用设计的转换器。降压-升压转换器的使用极大地改善了 可穿戴设备和其他物联网应用的信噪比性能。

审核编辑：郭婷