【導讀】我們生活在一個被電子設備包裹的時代，這些設備使我們的學習、工作、鍛煉、旅行和交流等變得非常方便，尤其是可穿戴設備正在成為人們日常生活中不可或缺的一部分。在醫療應用中，可穿戴設備可用于監測心率、血壓、血氧水平、運動中燃燒的卡路里、睡眠跟蹤等。為了提供更好的用戶體驗，高性能、小尺寸和低功耗是這些可穿戴設備的關鍵指標。當然，要想全部實現這些目標通常需要在電路設計中進行一些權衡，比如為了滿足特定的功耗目標，設計者就必須增加設備的尺寸。那么，有沒有辦法可以在不增加這些電池供電設備尺寸的情況下又能有效延長電池壽命呢？
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答案當然是肯定的。首先，電子元器件的小型化、低功耗、高性能發展趨勢非常有利于可穿戴設備的小尺寸設計需求。其次，快速充電以及先進的電源管理IC（PMIC）技術在可穿戴設備中獲得廣泛應用。近些年，隨著SIMO PMIC技術的日趨完善，可穿戴設備的電源設計變得更加容易。
可穿戴設備中的電源管理
根據Mordor Intelligence的分析，2020年，可穿戴技術的市場價值約為279.1億美元，預計到2026年將達到740.3億美元，在預測期（2021至2026年），復合年增長率（CAGR）將達到17.65%。尤其是MEMS傳感器的出現，進一步加速了可穿戴技術的發展。比如，將這些傳感器集成到一個專用的可穿戴設備中，人們就可以隨時隨地的利用可穿戴健身追蹤系統監測身體健康狀況。據思科公司（Cisco）的數據，全球連接的可穿戴設備數量有望從2018年的5.93億臺增至2022年的11.05億臺。
來自Grand view Research的市場預測數據更加樂觀，他們的分析師認為，2020年全球可穿戴技術的市場規模達到了406.5億美元，預計從2021年到2028年將以13.8%的復合年增長率（CAGR）增長。
促使市場快速發展的主要因素來自兩個方面：
● 一是物聯網（IoT）等技術的進步催生大量的互聯設備，這些設備的受歡迎度正在迅速上升；
● 二是慢性病和肥胖癥的發生率不斷攀升，促使人們采用可穿戴產品，如活動跟蹤器和身體監測器，用于監測用戶整體健康狀況并提供實時數據。
這些可穿戴設備還能提供與日常事件和生理數據有關的信息，如睡眠質量、心率、血氧水平、血壓、膽固醇水平和燃燒的卡路里等。
可穿戴設備通常由微控制器、存儲器、通信、顯示器、傳感器和電源管理等模塊構成。其中的微控制器、顯示器和傳感器可能有不同的電壓要求，許多外圍設備如通信IC和傳感器大多數時間是處在休眠模式，只有在需要時才會通電，因此，在可穿戴設備內部通常需要多個電壓軌。
根據設計需求，微控制器自始至終都處于工作狀態，堪稱可穿戴設備的功耗大戶，并且性能和所用功率之間存在明顯的相關性，其電流消耗約為40μA/MHz左右。基于尺寸、性能及功耗的考慮，可穿戴設備在設計過程中必須對電源管理給予足夠的重視。目前，可穿戴設備的電源管理通常都是基于PMIC，且具備充電、DC-DC轉換器和調節器等功能。基于對可穿戴市場的良好預期，PMIC也必將是一個潛力無限的市場。
圖1：可穿戴設備的典型系統架構
（圖源：Renesas）
IC Insights在其2022年第一季度的McClean報告中提到，新冠疫情致使全球經濟出現衰退，然而2021年全球半導體市場的銷售額卻史無前例地飆升了30%，達到741億美元的歷史新高。強勁的需求以及供應鏈中斷導致去年的模擬IC平均售價上漲了6%，
預計2022年模擬IC市場又將是一個雙位數增長年。除去放大器和比較器，電源管理IC（PMIC）預計將在2022年成為第二大模擬細分市場，相比上一年度增幅達到12%，其中5G和消費電子市場的需求是市場增長的主要驅動力。
圖2：PMIC預計將在2022年度實現12%的增幅
（圖源：IC Insights）
Yole的分析師們在其發布的分析報告中指出，預計到2026年，電源IC市場總額將超過255億美元，2020年至2026年復合年增長率為3%。當然，并非所有的電源IC市場都以相同的速度增長，汽車行業將是所有行業中增幅最大的，移動和消費市場雖然增幅低于均值，但體量最大，超過了100億美元，在整個功率IC市場中占比超過40%。
圖3：2020年到2026年電源IC市場將以3%的幅度增長，移動和消費應用市場占比最大
（圖源：Yole）
話題重新回到可穿戴設備的電源管理。眾所周知，在可穿戴醫療設備開發之初，電源管理必須被視為一項高級戰略。雖然大多數現代微控制器的設計都考慮到了低功耗應用，但開發高效的電源管理方案對于最大限度地降低功耗和延長電池壽命仍是至關重要的。也許很多人會說，電池壽命同樣是可穿戴設備中的一個關鍵問題，深思熟慮的電池規劃對于可穿戴設備尤其是可穿戴醫療設備的成功至關重要。綜合來看，選擇合適的電池和實施適當的電源管理是設計可穿戴設備的主要挑戰。
以智能手表或健身帶等小型可穿戴設備為例，它們通常只能容納電壓為3.8V、容量為130mAh至410mAh的單電池鋰離子電池，其電池管理和充電系統必須在設備運行以及充電時隨時密切監測電流、電壓和溫度的變化。理想的電源管理解決方案需要確保系統消耗盡可能少的電力，并盡可能快速、安全的完成充電。
Texas Instruments（TI）的TPS65070是一款帶有電池充電器、三個降壓轉換器和兩個LDO的芯片，專門用于便攜式應用的單芯片電源管理。設備充電時可由插腳上的USB端口供電，也可由連接到插腳AC的墻壁適配器的直流電壓供電。三個高效的2.25MHz降壓轉換器旨在為處理器、存儲器和I/O進行供電。降壓轉換器在輕負載下進入低功率模式，以在盡可能寬的負載電流范圍內實現最大效率。
由STMicroelectronics開發的STMP30同樣是一款可有效改善便攜式設備電池運行時間的電源管理芯片。這款產品的輸入電壓范圍為2.9V至4.8V，包括三個集成DC/DC轉換器，以提供智能手機以及其他便攜式設備中AMOLED顯示器所需的所有電源軌。
與其他將VOUT1固定在4.6V的設備不同，550mA VOUT1升壓轉換器提供可調節的輸出電壓，電壓可以設置在4.6V和5.0V之間，增量為100mV，能有效優化顯示器亮度，使其在任何條件下都具有最低的功耗和最佳的可視性。其余兩個輸出550mA單相降壓-升壓逆變轉換器提供，可編程范圍為-0.8V至-6.6V，以及5.5V至7.9V、150mA，輸出電壓通過外部引腳使用單線（S-Wire）協議編程。
SIMO PMIC：小型高效電源設計解決方案
輕便緊湊的可穿戴設備通常使用微型電池。盡管電池的容量在過去十年中有所增加，但儲存的電量在有限的時間內很快就會耗盡。永久可穿戴和物聯網（IoT）設備的設計者的目標是延長電池運行時間，同時縮小外形尺寸。而小尺寸、高度集成的電源管理IC（PMIC）是實現這一目標的優選方案。
PMIC是一種高度集成的電源產品，它將傳統的多輸出電源封裝在單個芯片中，從而以較小的體積在多個電源應用場景尤其是由電池供電的設備中實現高效率，它不僅優化了設備的內部布局，還最大化了能效，有效延長了電池的壽命。
直流-直流（DC-DC）轉換器是電子產品中最常用的PMIC，近年來由于其高轉換效率而成為市場的主力軍。根據工作模式和儲能元件的不同，DC-DC變換器可分為線性穩壓器（LDO）、電感降壓/升壓（buck/boost）開關DC-DC穩壓器和電容開關DC-DC穩壓器。DC-DC轉換器的三種不同架構在物理尺寸、靈活性和效率方面是有差異的，其中：LDO可以完全集成，具有良好的電壓可擴展性，但效率不高；電容式開關穩壓器（也稱為電荷泵）可完全集成，效率高，但電壓可擴展性差；電感式開關穩壓器非常高效且電壓可調，但缺點是不能完全集成。因此，現階段可穿戴設備大多選擇線性LDO和電感開關穩壓器（Buck/Boost），兩者都可以提供設計所需的靈活電源管理。
在可穿戴設備的設計中，是選擇線性LDO還是電感降壓/升壓拓撲需要一定的權衡。在傳統的電感開關穩壓器結構中，每個輸出都需要一個獨立的電感，這些電感通常笨重且昂貴，非常不利于實現設備的小型化。為了減小尺寸，人們經常會選擇緊湊、低噪聲的LDO，但LDO的損耗又比較大。問題又來了，設計師該如何在二者之中做出權衡，有沒有兩全其美的方案呢？
答案是：單電感多輸出（SIMO）穩壓器可以解決這個難題，它能夠同時解決尺寸和能效等問題。
基于SIMO架構的PMIC使用單個電感器作為能量存儲元件，以支持多個獨立的DC輸出。與傳統的電感式DC-DC開關穩壓器相比，SIMO架構PMIC通過單個電感器提供多個輸出，將原本需要多個分立組件的功能集成到更小的封裝中，節省了空間，同時仍保持了高效率。
#01 ADI MAX77659
ADI的MAX77659是一款帶有集成開關模式降壓-升壓充電器的單電感多輸出（SIMO）PMIC，充電僅需10分鐘即可提供超過4個小時的供電時間，并使用單電感為多條電源軌供電，將材料清單（BoM）減少60%，總解決方案尺寸縮小50%。與目前其他的PMIC相比，它可以非常方便地用于可穿戴設備和物聯網設備，而且空間更小。MAX77659集成了一個開關模式降壓升壓充電器和三個獨立可編程降壓升壓穩壓器，共享一個電感器。調節器在中到重負載條件下以91%的效率運行，而在輕負載條件下僅消耗5.0μA的靜態電流，延長了電池壽命。
在SIMO PMIC上，ADI有著廣泛的產品組合，如MAX77640/MAX77641和MAX77680/MAX77681，它們將電源管理電路的尺寸縮小了近一半，并廣泛支持可穿戴設備、智能家居等空間受限的應用。
圖4：MAX77659工作方框圖
（圖源：ADI）
#02 TI TPS65135
TI雙電源轉換器TPS65135具有單電感器和多輸出（SIMO）拓撲，很少使用外部組件，通過降壓/升壓拓撲，產生高于或低于輸入電源電壓的正和負輸出電壓。源于SIMO拓撲，TPS65135具有良好的線路瞬態調節。該產品可用于從2.5V至5.5V的輸入電源電壓產生分流軌電源，并針對單電池鋰離子電池的3.3V軌進行了優化。TPS65135在降壓-升壓拓撲中工作，僅使用2.2μH電感器產生正負輸出電壓。當輸出電流失配達到50%或更低時，它可以通過降壓升壓產生高達6V的正輸出電壓和低至-7V的負電壓（即輸入電源電壓可能高于或低于正輸出電壓）。兩個輸出都由EN引腳控制，即兩個輸出在高邏輯電平下啟用，在低邏輯電平下禁用。當輸入電源電壓過低，無法正常工作時，集成的UVLO功能將禁用設備。
圖5：TPS65135系統框圖
（圖源：TI）
后記
根據Statista的數據，預計到2022年全球可穿戴技術支出將達到900億美元，并且會隨著時間的推移而不斷增加。薄、小、輕是可穿戴設備的物理要求，也是當今可穿戴技術限制電池壽命的主要原因。傳統電池，如鋰離子硬幣電池，可能適用于傳感器和其他低功耗可穿戴設備，但它們難以滿足健身帶和智能手表等功能更強的可穿戴設備的需求。延長電池壽命對于此類設備獲得市場認可至關重要，沒有人希望智能穿戴設備的電池在幾個小時內用完。然而，電池復雜的內部結構將大大增加設備的尺寸和成本，使人們不方便佩戴。為了使可穿戴設備能夠長時間運行，能量采集、電池管理、電源管理和低功耗解決方案都是延長可穿戴設備電池壽命的有效措施。
很明顯，在開發可穿戴設備時，電池選擇和功耗管理是設備整體成功的關鍵。工程和設計團隊的挑戰是仔細平衡每個設備中的變量，以滿足所有要求，并根據所選電池提供有限的功率。SIMO PMIC解決方案不僅提高了器件的能效，而且由于其高度集成，大大減小了電路板的尺寸。它是電池供電設備電源管理的理想解決方案。
來源：Mouser
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