从汽车到可穿戴设备的设计如何利用PMIC提高能效

电源管理IC（PMIC）可在单个芯片内提供完整的电源管理功能。它常被用来为小型电池供电设备供电，因此，集成多种功能可以提高空间利用率和能源效率。PMIC通常集成的功能包括电压转换器和稳压器、电池充电器、电池电量指示器和LED驱动器。

低功耗PMIC必须提供紧凑的外形尺寸和高效率，才能为可穿戴设备提供较长的电池寿命。 在系统级芯片、FPGA和微控制器之类的计算密集型系统中，其目标则是最大化每瓦性能，同时着眼于优化系统效率。

在关键的车辆电气设计中，直流电源管理是高级驾驶员辅助系统（ADAS）设计人员不能忽略的。PMIC解决方案可以实现直流电源保护、低静态电流和降低EMI干扰，它能够为车辆的能源管理提供一个舒适的环境。

在各种设备中采用PMIC解决方案有助于这些平台有效利用能源，从而延长它们的使用寿命。随着设计人员不断寻求将先进的技术和功能引入产品，对PMIC的需求预计很快也会增长。

挑战

随着微电子技术的发展和功耗要求不断提高，电源管理的复杂性和重要性也日益提升。可穿戴电子设备就是一个很好的例子。采用能量采集技术和最新一代的超级电容器是达成有效解决方案的良好策略。

轻巧紧凑的可穿戴物联网设备需要超小尺寸的电池。其设计重点一直是延长设备较短的运行时间。为了在可穿戴物联网设计中有效管理电压总线，PMIC可以在必要时启用和禁用电源块，从而提供很高的灵活性。PMIC可以从本质上让可穿戴物联网设备在两次充电之间运行更长的时间。除了设计灵活性，PMIC还对电池提供保护、监测和控制功能。

电源管理系统将DC / DC电源转换为三种不同的形式，它们在物理尺寸、灵活性和效率方面存在着差异。其中，线性稳压器可以完全集成并提供电压可扩展性，但效率不高；基于电容的开关稳压器也可以完全集成，且高效，但不支持电压扩展；基于电感的开关稳压器可以非常高效，也可以实现电压可扩展性，但往往无法完全集成。

电源管理子系统的总体设计具备一定的挑战性。设计人员必须考虑为供电及散热设计提供足够的物理空间。当使用自然对流电源时，电源附近必须有足够的空间用于充分冷却。如果设计使用强制风冷，则设计人员必须确保电源周围有足够的空间保证空气流通。

“为大电流轨供电面临散热的挑战，主要是要保持器件的内部温度（结温）不超过规定的温度范围。”Dialog半导体公司汽车业务部高级副总裁Tom Sandoval表示，“但大电流意味着高功耗和更多热量的产生。在特定的系统环境温度下要求能提供大电流的器件，而又不超过所规定的结温，这个设计极具挑战性。”电路设计的整体效率对给定电流水平下产生的热量有很大影响。

“另外，器件的封装类型也会影响其在运行过程中产生的热量，”Sandoval指出。“因此，需要在系统层面利用各种技术来散热，以确保器件在指定的结温范围内持续工作。”

设计通常会很困难而且容易产生问题，因此，设计人员需要对补偿控制周期和特定电源管理IC的工作原理有充分的了解。利用面向设计的仿真工具可以加速和简化PMIC解决方案的开发。

解决方案

在可穿戴设备设计中采用具有微功率单电感多输出（SIMO）降压-升压DC/DC变换器的PMIC，可有效延长电池寿命。通过利用整个电池电压范围，而且得益于每输出都可进行降压-升压配置，这些转换器可以产生高于、低于或等于输入电压的多个输出电压。利用每个输出的可编程峰值电感电流等功能，设计人员可以实现效率、输出纹波、电磁干扰（EMI）、PCB设计和负载能力之间的完美平衡。

美信公司的MAX77650和MAX77651 PMIC集成了150mA低压差稳压器（LDO），它可以为噪声敏感型应用提供纹波抑制功能。另外，SIMO控制方案中的控制器可确保所有输出得到及时处理。

美信公司移动电源产品线总监Karthi Gopalan表示：“我们在可穿戴设备、耳机和低功耗物联网领域的客户正处在高端技术与美学的十字路口。随着全球对智能AI助手、实时生物体征跟踪和精确位置跟踪的依赖性日益增强，这些市场将有着巨大的牵引力。”

她补充说，美信的低功耗PMIC为这种空间受限的设计提供了“最小尺寸下的最高系统效率”。“我们的PMIC可以将解决方案尺寸减小一半。这些节省出的空间可用于添加一些增值模块，如语音命令、支付、GPS接收器、生物识别、手势控制、3D识别和摄像头模块等。”

在汽车应用中，PMIC必须解决的三个主要挑战是温度、认证和安全性。汽车应用要求在–40℃至105℃（至少）之间的环境温度范围内运行；因此，用于汽车平台的任何半导体器件都必须在宽温度范围内提供出色的性能。

Dialog半导体公司的Sandoval表示：“汽车应用要求较高的质量水平，以确保在超过10年的使用期内故障率接近于零。这涉及到器件的设计、认证以及测试和筛选等方面，以确保在汽车的使用寿命内达到最高质量水平。”

在汽车应用中，保证安全性的许多要素都集中在故障的预防上。电源管理器件必须具有管理电气故障的能力，并在发生故障时提供可行的解决方案。Sandoval说，“器件设计中需要增加额外的电路以支持这种功能，但这会导致更高的复杂性和成本。”

Dialog提供的集成式DA913X-A可实现较低的系统物料成本和较小的尺寸。其能效超过90%，从而可降低ADAS等系统中大电流轨供电的散热设计难度。

DA913X-A系列包含三个器件，可配置为单输出或双输出降压转换器。DA9130-A为单通道两相降压转换器，可提供高达10A的输出电流。DA9131-A集成了两个单相降压转换器，每个转换器可提供高达5 A的输出。DA9132-A也集成了两个单相降压变换器，每个转换器可提供高达3A的电流。这三个器件均支持2.5至5.5 V的输入电压范围，输出电压范围为0.3至1.9V，适用于各种低压系统。这些器件还提供外部电阻分压器，用于支持高于1.9 V的输出电压。

图2: DA913X-A功能框图

本文为《电子工程专辑》2021年3月刊 杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅