从汽车到可穿戴设备的设计都利用 PMIC 实现电源效率

电源管理 IC (PMIC) 在单个芯片内提供完整的电源管理。PMIC 通常用于为小型电池供电设备供电，其中多种功能的集成提高了空间和功率方面的效率。通常集成到 PMIC 中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和高效率，以在可穿戴设备中提供较长的电池寿命。在片上系统、FPGA 和微控制器等计算密集型系统中，目标是最大限度地提高每瓦性能，同时着眼于优化系统效率。

汽车电气环境中的直流电源管理不是高级驾驶员辅助系统 (ADAS) 设计人员可以忽略的问题。PMIC 解决方案提供直流电源保护、低静态电流和 EMI 降低，为车辆的能源管理提供舒适的环境。

在各种设备中采用 PMIC 解决方案有助于这些平台有效利用电源，从而延长其使用寿命。随着设计人员希望为产品带来先进的技术和功能，预计 PMIC 需求将在不久的将来增加。

挑战

随着微电子产品的缩小和功耗要求的提高，电源管理的复杂性和重要性也在不断增加。可穿戴电子产品就是一个很好的例子。能量收集技术和最新一代超级电容器的应用可以成为有效解决挑战的好策略。

具有轻巧紧凑外形的可穿戴物联网设备需要微型电池。设计重点一直是延长设备的短运行时间。为了在可穿戴物联网设计中有效地管理电压总线，PMIC 可以通过在必要时启用和禁用电源模块来提供灵活性。PMIC 本质上可以让可穿戴物联网设备在两次充电之间运行更长的时间。除了设计灵活性外，PMIC 还包括保护、监控和控制功能。

电源管理系统将 DC/DC 电源转换为三种不同的形式，它们的物理尺寸、灵活性和效率各不相同。线性稳压器可以完全集成并提供电压可扩展性，但它们效率不高。基于电容器的开关稳压器可以完全集成且高效，但它们不支持电压可扩展性。基于电感器的开关稳压器效率很高，可实现电压可扩展性，但往往不能完全集成。

电源管理子系统的整体设计提出了几个挑战。设计中必须有足够的物理空间用于电源和任何热管理措施。当使用自然对流电源时，电源附近必须有足够的空间以提供足够的冷却。如果设计使用强制风冷，设计人员必须确保电源周围有足够的空气流动。

汽车业务高级副总裁 Tom Sandoval 表示：“为高电流轨供电的热挑战主要与试图保持设备的内部温度——结温——不超过设备规定的温度有关。 Dialog Semiconductor 的部门。“更高的电流意味着更高的功耗，产生更多的热量 [并且] 使得设计在系统的指定环境温度下提供高电流且不超过设备指定结温的设备更具挑战性。” 电路设计的整体效率对给定电流水平下将发生的热量有显着影响。

“此外，用于设备的包装类型会影响设备在运行过程中的加热方式，”桑多瓦尔说。“最后，在系统层面，我们使用了各种技术来散热，以确保设备在其指定的结温范围内继续运行。”

设计通常很困难且有问题，因此需要对补偿控制周期和特定电源管理 IC 的操作有很好的了解。使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

设计有用于可穿戴设备的微功率单电感多输出 (SIMO) 降压-升压 DC/DC 转换器的 PMIC 可以提供一种有效的方法来延长电池寿命。通过利用整个电池电压范围，因为每个输出都具有降压-升压配置的优势，这些转换器可以产生高于、低于或等于输入电压的输出电压。使用每个输出的可编程峰值电感电流等特性，设计人员可以优化效率、输出纹波、电磁干扰 (EMI)、PCB 设计和负载能力之间的权衡。

Maxim Integrated 的 MAX77650 和 MAX77651 PMIC 包括一个集成的 150mA 低压降稳压器 (LDO)，可为噪声敏感应用提供纹波抑制。SIMO 控制方案中的控制器可确保及时处理所有输出。

图 1：MAX77650 的框图(图片：Maxim Integrated)

Maxim Integrated 移动电源产品线总监 Karthi Gopalan 表示：“我们在可穿戴设备、耳戴设备和低功耗物联网领域的客户处于高端技术和美学的交汇处。“随着全球对智能 AI 助手、移动生物识别跟踪和精确位置跟踪的依赖日益增加，这些市场正在获得巨大的吸引力。”

她补充说，Maxim Integrated 的低功耗 PMIC 可以“以最小的外形尺寸为此类空间受限的设计提供最高的系统效率”。“我们的 PMIC 现在可以将解决方案尺寸减少一半。这释放了电路板空间来包装增值模块，例如语音命令、支付、GPS 接收器、生物识别、手势控制、3-D 识别和摄像头模块。”

在汽车应用中，PMIC 必须应对的三个主要挑战是温度、资格和安全。汽车应用需要在环境温度范围介于 –40°C 和至少 105°C 之间的环境中运行;因此，汽车平台中使用的任何半导体器件都必须在更宽的温度范围内提供卓越的性能。

“汽车应用需要显着更高的质量水平，以确保在超过 10 年的使用期间接近零故障率，”Dialog 的 Sandoval 说。“这对设备的设计、资格要求以及测试和筛选产生影响，以确保在汽车的整个生命周期内都能达到最高质量水平。”

在汽车应用的背景下，安全的许多要素都集中在故障预防上。该设备必须具有管理电气故障的能力，在它们确实发生时提供可能的解决方案。“必须在设备中设计额外的电路以支持这种类型的功能，从而导致更高的复杂性和成本，”Sandoval 说。

Dialog 的集成 DA913X-A 设备可实现较低的系统物料清单成本和较小的解决方案占用空间。这些器件以超过 90% 的效率水平运行，减少了为包括 ADAS 在内的一系列系统中的高电流轨供电的热设计挑战。

DA913X-A 系列包含三个设备，配置为单输出或双输出降压转换器。DA9130-A 是一款单通道、两相降压转换器，可提供高达 10 A 的输出电流。DA9131-A 集成了两个单相降压转换器，每个可提供高达 5 A 的输出。DA9132-A 还集成了两个单相降压转换器，每个都提供高达 3 A 的电流。所有三个设备都支持 2.5–5.5 V 的输入电压，具有 0.3 到 1.9 V 的输出范围，使其适用于各种低压系统。1.9 V 以上的输出电压由外部电阻分压器支持。

图 2：DA913X-A 的框图(图片：Dialog Semiconductor)

项目实战：https://www.yunduoketang.com/article/jiaoyuzhiboruanjiannagehao21.html
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