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技術(shù)專題
用于可穿戴設(shè)備和汽車的電源設(shè)備
用于可穿戴設(shè)備和汽車的電源設(shè)備
PMIC是小型電池供電設(shè)備的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兛梢栽趩蝹€(gè)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(dòng)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(shè)備中提供較長(zhǎng)的電池壽命。在諸如SoC（片上系統(tǒng)），FPGA和微控制器之類的計(jì)算密集型系統(tǒng)中，目標(biāo)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(shè)計(jì)階段的重要方面，但對(duì)于電氣關(guān)鍵環(huán)境的車輛，直流電源管理對(duì)于ADAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言卻鮮為人知，但至關(guān)重要。PMIC解決方案提供直流電源保護(hù)，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(shè)備中采用PMIC解決方案有助于有效地使用電源并延長(zhǎng)了這些設(shè)備的使用壽命。預(yù)計(jì)在不久的將來，對(duì)電源管理IC的需求將會(huì)增加。
挑戰(zhàn)性
電源管理已成為一個(gè)復(fù)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(yīng)引起廣泛關(guān)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(shù)和最新一代的超級(jí)電容器的應(yīng)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(shè)備需要體積小巧的電池，且運(yùn)行時(shí)間短。電源管理集成電路（PMIC）可通過在需要時(shí)啟用/禁用電源塊來有效管理可穿戴式IoT設(shè)計(jì)中的電壓總線，從而提供靈活性。PMIC實(shí)際上可以使可穿戴式IoT設(shè)備在兩次充電之間運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間間隔。除設(shè)計(jì)靈活性外，PMIC還包括保護(hù)，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(kuò)展性，但是效率不高。基于電容器的開關(guān)穩(wěn)壓器可以完全集成且高效，但沒有電壓可擴(kuò)展性。基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器可能非常高效，并且電壓可擴(kuò)展性無法完全集成。
電源管理子系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)涉及多個(gè)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(duì)流電源時(shí)，電源附近必須有足夠的空間以進(jìn)行冷卻。如果使用強(qiáng)制風(fēng)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(jí)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(guān)。” 他補(bǔ)充說：“較高的電流意味著較高的功耗會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，這使得設(shè)計(jì)一種在系統(tǒng)的指定環(huán)境溫度下提供大電流而不會(huì)超過該器件的規(guī)定結(jié)溫的器件更具挑戰(zhàn)性。電路設(shè)計(jì)的整體效率對(duì)給定電流水平下產(chǎn)生的熱量有重大影響。另外，用于設(shè)備的包裝類型會(huì)影響設(shè)備在操作過程中的加熱方式。最后，在系統(tǒng)級(jí)別，
設(shè)計(jì)通常可能很困難且有問題，因此需要對(duì)補(bǔ)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(shè)計(jì)的仿真工具對(duì)于加速和簡(jiǎn)化PMIC解決方案的開發(fā)很有用。
解決方案
為可穿戴設(shè)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(zhǎng)電池壽命的有效工具。通過利用整個(gè)電池電壓范圍，由于每個(gè)輸出都具有降壓-升壓配置的優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)的負(fù)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(yīng)用提供紋波抑制功能。SIMO控制方案中的控制器可確保及時(shí)處理所有輸出。
圖1：MAX77650的框圖
“我們?cè)诳纱┐髟O(shè)備，聽覺設(shè)備和低功耗物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的客戶群處于高端技術(shù)與美學(xué)的交匯處。這些是適合日常生活方式的品牌。Maxim Integrated移動(dòng)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(dòng)生物特征跟蹤和精確位置跟蹤的依賴性日益增強(qiáng)，這些市場(chǎng)正在獲得巨大的吸引力。
她補(bǔ)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(shè)計(jì)提供了最小尺寸的最高系統(tǒng)效率。現(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(shí)別，手勢(shì)控制，3D識(shí)別和攝像頭模塊。”
在汽車應(yīng)用中，PMIC面臨三個(gè)主要挑戰(zhàn)：溫度，資格，安全性。汽車應(yīng)用必須在-40至至少105攝氏度的環(huán)境溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。因此，半導(dǎo)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(yīng)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(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)，資格要求以及設(shè)備的測(cè)試/篩選有影響，以確保在汽車的整個(gè)使用壽命內(nèi)都能達(dá)到最高的質(zhì)量水平。”
在許多汽車應(yīng)用中，存在與安全相關(guān)的要素，即防止故障的能力。該設(shè)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(shè)備中設(shè)計(jì)附加電路以支持這種功能，從而導(dǎo)致更高的復(fù)雜性和成本，” Sandoval說。
Dialog的高度集成的DA913X-A設(shè)備可實(shí)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(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）在內(nèi)的各種系統(tǒng)中為大電流導(dǎo)軌供電時(shí)的散熱設(shè)計(jì)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(gè)器件組成。DA9130-A用作單通道，兩相降壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)10A的輸出電流。DA9131-A集成了兩個(gè)單相降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)5 A的輸出電流。DA9132-A還集成了兩個(gè)單相降壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá)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