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技術專題
用于可穿戴設備和汽車的電源設備
用于可穿戴設備和汽車的電源設備
PMIC是小型電池供電設備的最佳選擇，因為它們可以在單個芯片中提供完整的電源解決方案，并包括電壓轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)器，電池電量指示器，電池充電器和LED驅(qū)動器等功能。
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的電池壽命。在諸如SoC（片上系統(tǒng)），FPGA和微控制器之類的計算密集型系統(tǒng)中，目標是使每瓦性能最大化，從而提高整體系統(tǒng)效率。
盡管這是設計階段的重要方面，但對于電氣關鍵環(huán)境的車輛，直流電源管理對于ADAS系統(tǒng)設計人員而言卻鮮為人知，但至關重要。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了這些設備的使用壽命。預計在不久的將來，對電源管理IC的需求將會增加。
挑戰(zhàn)性
電源管理已成為一個復雜的問題，隨著微電子系統(tǒng)在尺寸減小和功耗要求不斷提高方面的發(fā)展，開發(fā)人員應引起廣泛關注：這是可穿戴電子系統(tǒng)正在發(fā)生的事情。電力收集技術和最新一代的超級電容器的應用可能是有效解決此類問題的好策略。
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，且運行時間短。電源管理集成電路（PMIC）可通過在需要時啟用/禁用電源塊來有效管理可穿戴式IoT設計中的電壓總線，從而提供靈活性。PMIC實際上可以使可穿戴式IoT設備在兩次充電之間運行更長的時間間隔。除設計靈活性外，PMIC還包括保護，監(jiān)視和控制。
電源管理系統(tǒng)將DC-DC電源轉(zhuǎn)換為三種不同的形式，大小，靈活性和效率都有所不同。線性穩(wěn)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_關穩(wěn)壓器可以完全集成且高效，但沒有電壓可擴展性?；陔姼械拈_關穩(wěn)壓器可能非常高效，并且電壓可擴展性無法完全集成。
電源管理子系統(tǒng)的總體設計涉及多個挑戰(zhàn)。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，電源附近必須有足夠的空間以進行冷卻。如果使用強制風冷，則電源周圍需要有足夠的空氣流通。
Dialog Semiconductor汽車事業(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(nèi)部溫度（結(jié)溫）不超過器件規(guī)定的溫度有關。” 他補充說：“較高的電流意味著較高的功耗會產(chǎn)生更多的熱量，這使得設計一種在系統(tǒng)的指定環(huán)境溫度下提供大電流而不會超過該器件的規(guī)定結(jié)溫的器件更具挑戰(zhàn)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，用于設備的包裝類型會影響設備在操作過程中的加熱方式。最后，在系統(tǒng)級別，
設計通常可能很困難且有問題，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化PMIC解決方案的開發(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(zhuǎn)換器的電源管理IC（PMIC）可以成為延長電池壽命的有效工具。通過利用整個電池電壓范圍，由于每個輸出都具有降壓-升壓配置的優(yōu)勢，這些轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)生高于，低于或等于輸入電壓的輸出電壓。利用每個輸出的可編程峰值電感器電流等功能，可以優(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(wěn)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處理所有輸出。
圖1：MAX77650的框圖
“我們在可穿戴設備，聽覺設備和低功耗物聯(lián)網(wǎng)領域的客戶群處于高端技術與美學的交匯處。這些是適合日常生活方式的品牌。Maxim Integrated移動電源產(chǎn)品線總監(jiān)Karthi Gopalan表示，隨著全球?qū)χ悄?span>AI助手，移動生物特征跟蹤和精確位置跟蹤的依賴性日益增強，這些市場正在獲得巨大的吸引力。
她補充說：“借助Maxim Integrated的低功耗單電感器，多輸出（SIMO）PMIC，我們?yōu)榇祟惪臻g受限的設計提供了最小尺寸的最高系統(tǒng)效率?，F(xiàn)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包裝增值模塊，例如語音命令，支付，GPS接收器，生物識別，手勢控制，3D識別和攝像頭模塊。”
在汽車應用中，PMIC面臨三個主要挑戰(zhàn)：溫度，資格，安全性。汽車應用必須在-40至至少105攝氏度的環(huán)境溫度范圍內(nèi)運行。因此，半導體器件需要在更寬的溫度范圍內(nèi)具有出色的性能。
汽車應用要求更高的質(zhì)量水平，以確保超過十年的使用過程中幾乎零故障率。這對設備的設計，資格要求以及設備的測試/篩選有影響，以確保在汽車的整個使用壽命內(nèi)都能達到最高的質(zhì)量水平。”
在許多汽車應用中，存在與安全相關的要素，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。
Dialog的高度集成的DA913X-A設備可實現(xiàn)較低的系統(tǒng)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90％，從而減少了在包括高級駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）在內(nèi)的各種系統(tǒng)中為大電流導軌供電時的散熱設計挑戰(zhàn)。
DA913X-A系列由配置為單輸出或雙輸出降壓轉(zhuǎn)換器的三個器件組成。DA9130-A用作單通道，兩相降壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達10A的輸出電流。DA9131-A集成了兩個單相降壓轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)換器可提供高達5 A的輸出電流。DA9132-A還集成了兩個單相降壓轉(zhuǎn)換器，每個轉(zhuǎn)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(tǒng)。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