小尺寸和最小的功率損耗是物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 硬件（尤其是可穿戴設(shè)備）的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。滿足這些標(biāo)準(zhǔn)通常需要一些權(quán)衡。例如，為了滿足特定的功耗目標(biāo)，設(shè)計人員通常不得不在增加設(shè)計尺寸方面做出妥協(xié)。本應(yīng)用筆記解釋了集成電源管理IC （PMIC）如何在使用單個電感器的同時操作三個獨立的開關(guān)穩(wěn)壓器輸出，從而實現(xiàn)由Li+電池供電的緊湊型物聯(lián)網(wǎng)硬件。

介紹

所有行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 正在推動所有行業(yè)的數(shù)據(jù)采集呈指數(shù)級增長。從電器到汽車等等，自主的“智能”事物正在處理數(shù)據(jù)并共同形成通常稱為物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。在這個物聯(lián)網(wǎng)世界中，“智能”事物被松散地定義為產(chǎn)生具有重大價值信息的節(jié)點;但是，實現(xiàn)硬件 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計規(guī)劃。考慮使用可穿戴設(shè)備。要啟用 可穿戴設(shè)備要長時間運行，它們必須設(shè)計為高效的電源管理，并具有緊湊的外形。這包括最大化可用電池容量和超低功耗設(shè)計 同時保持較小的解決方案占用空間。

擴(kuò)展電池容量

電池為便攜式電子產(chǎn)品提供臨時的、不受調(diào)節(jié)的電源。原電池是一種 一次性使用電源;二次電池通常提供一半的能量密度，同時允許充電。 最常見的可充電電池化學(xué)成分是標(biāo)稱電壓接近3.7V的鋰離子（Li+）， LiMn2O4、LiCoO2、LiNiO2、鋰鎳錳鈷氧化物 （NCM） 和鋰鎳鈷氧化鋁 （NCA）。一種可充電電池化學(xué)LiFePO4的標(biāo)稱電壓約為3.3V。在為設(shè)備供電時，源電阻有限的電池會加載。由于負(fù)載的電流消耗，在使用時，可用的電池電壓會降低。

負(fù)載消耗的功率越多，電池電壓和有效容量的下降就越顯著。 當(dāng)有效容量降低時，向下游提供相同電流的可用時間較少 電路。電池的有效容量也會受到環(huán)境溫度和充電/放電的負(fù)面影響 周期。由于這些原因，電池需要一種具有以下特征的調(diào)節(jié)分配形式：

盡可能高效地為多個電壓軌提供電源轉(zhuǎn)換

降壓充滿電的電池并升壓已放電的電池，以在負(fù)載上保持恒定電壓

防止超過最小截止電壓

防止超過最大放電電流

電源管理系統(tǒng)所需的最高最小輸入電壓是系統(tǒng)可以運行的最低電池電壓。為了最大化可用電池容量，使用最低電池電壓的電源樹 可能為必填項。請注意，在電池受到壓力并且使用壽命開始大幅縮短之前，電池指定了最小截止電壓。因此，電源樹應(yīng)該是 設(shè)計為在電池的最小截止電壓下工作，并應(yīng)進(jìn)入欠壓鎖定狀態(tài) （UVLO）不久之后。

最大化系統(tǒng)效率

具有輕巧緊湊外形的可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通常需要具有減少的微型電池 運行。不使用電壓軌時，電源管理系統(tǒng)應(yīng)關(guān)閉。為了有效地 管理可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中的電壓軌，電源管理集成電路 （PMIC） 可以提供 通過在需要時啟用/禁用電源塊實現(xiàn)靈活性。PMIC基本上可以實現(xiàn)可穿戴設(shè)備。 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在兩次充電之間運行更長的時間。

集成電源樹的PMIC通過管理電源排序和電源排序提供設(shè)計靈活性 切換、保護(hù)、監(jiān)視和控制。使用集成電源樹帶來的優(yōu)勢 與使用分立元件設(shè)計的相同電源樹解決方案相比，具有最大的系統(tǒng)效率，即 除PMIC外，穩(wěn)壓器采用單獨的封裝。當(dāng)所有電路都在內(nèi)部訪問時 對于集成電源樹，由于充電/放電引腳電容沒有 存在于電源電路塊之間。

電源管理系統(tǒng)以三種不同的形式執(zhí)行 DC-DC 電源轉(zhuǎn)換，其區(qū)別在于 物理尺寸、靈活性和效率。

線性穩(wěn)壓器—可以完全集成并具有電壓可擴(kuò)展性，但效率不高

基于電容的開關(guān)穩(wěn)壓器—可以完全集成且高效，但不具有電壓可擴(kuò)展性

基于電感的開關(guān)穩(wěn)壓器—可以高效且具有電壓可擴(kuò)展性，但往往不能完全集成

通常，基于電容的開關(guān)穩(wěn)壓器（也稱為電荷泵）不是標(biāo)準(zhǔn)的，因為它們 輸出電壓可擴(kuò)展性有限。例如，電荷泵被認(rèn)為是柵極的合適選擇 司機(jī);然而，對于可穿戴設(shè)備中的電路模塊，電荷泵沒有配備輸出所需的 特定電壓下所需的電流。這就是為什么對于這些器件，線性和基于電感的開關(guān) 穩(wěn)壓器提供最靈活的電源管理。

為了最大限度地提高效率，降壓穩(wěn)壓器為線性穩(wěn)壓器提供恒定的輸入電壓。圖1描述了可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中這些電路模塊的常見單電感電源樹： 觸覺反饋、顯示、無線通信和微處理器內(nèi)核。在這個典型的 實現(xiàn)時，從Li+電池開始的分支進(jìn)入降壓穩(wěn)壓器，并在 1.85V LDO線性穩(wěn)壓器，總效率為81.2%。如果將1.85V LDO線性穩(wěn)壓器直接連接到Li+電池，效率將達(dá)到48.7%，功耗增加10倍。這還證明了降壓穩(wěn)壓器在電池供電系統(tǒng)中的價值。

圖1.使用典型PMIC的通用單電感電源樹。

以下兩個等式計算功率損耗PL和效率？僅適用于線性穩(wěn)壓器。

功率損耗：PL = （V在– V外） ×伊利諾伊州

效率：？= V外/ V在

以下兩個公式計算相同的參數(shù)，但適用于所有線性穩(wěn)壓器和開關(guān)穩(wěn)壓器。

功率損耗： PL = PO × （1 – ？） / ？

效率：？= 采購訂單 / PI（4）

在圖1中，每個電源模塊效率的總乘積定義了系統(tǒng)效率？系統(tǒng)= 69.1%。 每個電源塊功率損耗的總和定義了系統(tǒng)功率損耗Psystem損耗為56.7mW。3.3V 最大壓差為100mV的LDO決定了系統(tǒng)所需的最小輸入電壓， 這是3.4V。實際系統(tǒng)占位面積FP由晶圓級封裝（WLP）尺寸決定 （2.72mm x 2.47mm）、0402電容器（英制單位）和2.2μH 0805電感，如圖2所示。

圖2.使用典型PMIC對公共單電感電源樹進(jìn)行布局。封裝尺寸為 外部組件以英制單位給出。

表 1 提供了 0402 和 0805 表面貼裝元件封裝的物理尺寸。

表 1.0402/0805 封裝表面貼裝元件尺寸和尺寸

力量樹功績圖

在電源樹中，最小尺寸和最大效率往往是相互排斥的，導(dǎo)致 二者。要比較不同電源樹實現(xiàn)的功率損耗和占位面積，請考慮一個數(shù)字 功績（FoM），定義為：

品質(zhì)因數(shù)：FoM = FP x PL

其中 PL 以 W 定義功率損耗，F(xiàn)P 以 m2 定義電源樹解決方案的封裝大小。 具有最低FoM的電源樹是最小功率損耗PL最低的實現(xiàn) 占地面積 FP 組合。理想的電源樹的 FoM 等于零;然而，在實踐中 在應(yīng)用中，通常PCB面積有限，并且由于功率轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的功率損耗。FoM 為 圖1中常見的單電感電源樹解決方案為1.39 x 10-3。因此，電源樹 同時降低功率損耗和減小占位面積的解決方案將實現(xiàn)更小的FoM值。

在圖1所示的電源樹中，還有提高系統(tǒng)效率、功耗和散熱的空間 性能;但是，需要權(quán)衡取舍。1.2V LDO線性穩(wěn)壓器可以用第二個替代 板載降壓穩(wěn)壓器，大大降低了功率損耗，但也帶來了以下缺點：

需要一個額外的電感器，其高度相當(dāng)于一疊五張打印紙

為可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增加超過 1mg 的重量

需要增加 8.3% 的布局面積（更大的占地面積）

產(chǎn)生可能損害整體系統(tǒng)性能的額外開關(guān)環(huán)路

電源樹所需的最小輸入電壓保持不變

如果不降低電源樹結(jié)果所需的最小輸入電壓，則訪問 可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的可用電池容量未最大化。常見的單電感電源 圖1中的樹，最小輸入電壓為3.3V加上LDO線性穩(wěn)壓器的壓差， 不使用標(biāo)稱開路電壓的LiFePO4電池的所有可用電池容量 略低于3.5V。在下游電路需要高功率的短脈沖的情況下，常見的 單電源樹可能會遇到UVLO，因為負(fù)載電壓之間沒有足夠的電壓裕量 LiFePO4 和電源樹運行所需的最小輸入電壓。這個常見的困境 可以通過使用單電感多輸出 （SIMO） 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)盡可能降低問題來解決 FoM 和所需的最小輸入電壓。

通過具有低FoM的SIMO PMIC減少功率損耗和占地面積

為了實現(xiàn)高效率和熱性能，可能會有一種誘惑，避免線性 穩(wěn)壓器，因為控制環(huán)路中始終導(dǎo)通的串聯(lián)調(diào)整管。但是，必須考慮 可穿戴設(shè)備PCB上的空間限制。鑒于此，線性穩(wěn)壓器可能更好 選項，提供噪聲敏感電子設(shè)備所需的清潔電壓電源的額外優(yōu)勢，例如 作為脈搏血氧儀、耳戴式設(shè)備和生物電位 AFE。這些設(shè)計權(quán)衡是不可避免的。系統(tǒng) 性能不應(yīng)該因為妥協(xié)而受到影響 — 事實上，這種情況為以下方面提供了機(jī)會 設(shè)計具有低FoM的高效系統(tǒng)電源樹。

從電池的最大標(biāo)稱電壓到最小截止電壓的電源樹 需要一個 DC-DC 穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器在不考慮輸入電壓電平的情況下輸出恒定電壓。 同相降壓或升壓穩(wěn)壓器提供此功能。有了這種類型的調(diào)節(jié)器，我們可以 有效降低新電池/已充電電池的電壓，同時提高低電池電壓。 因此，電池在整個電壓范圍內(nèi)為設(shè)備供電，從而根據(jù) 消耗的電流。

使用降壓-升壓拓?fù)渥鳛轭A(yù)穩(wěn)壓器可增強級聯(lián)線性穩(wěn)壓器。這樣，如果 電池電壓接近最小截止值時，線性穩(wěn)壓器從 降壓-升壓。降壓-升壓前置穩(wěn)壓器允許為線性 穩(wěn)壓器剛好高于壓差，可實現(xiàn)最小的功率損耗和最大的效率。具有安全性 裕量高于百分之幾的壓差，我們可以承受未來的大負(fù)載瞬變并保持 線性穩(wěn)壓器的輸入電壓高于所需的最小 UVLO。

具有最低 FoM 的電源樹包括以下功能：

高度集成的PMIC，在一個IC封裝中具有控制、保護(hù)和拓?fù)涮囟üδ堋?/p>

在獨立的多個降壓-升壓輸出之間共享單個電感，以及一種開關(guān)控制算法，該算法可以在共享同一磁性元件的同時將多個輸出保持在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 在電壓開始脫離穩(wěn)壓之前提供每個輸出軌服務(wù)。

低靜態(tài)電流，智商

SIMO PMIC 可減少功率損耗和占用空間。圖 3 顯示了一個完全集成的 SIMO 實現(xiàn)。

圖3.使用MAX77650/1 PMIC的SIMO電源樹

在圖3中，每個電源模塊效率的總乘積定義了系統(tǒng)效率？system = 78.5%。 每個電源塊功率損耗的總和定義了系統(tǒng)功率損耗P系統(tǒng)損耗= 35.5mW。The MAX77650/1 內(nèi)部控制邏輯規(guī)定系統(tǒng)所需的最小輸入電壓為2.7V。實際的 系統(tǒng)尺寸FP由MAX77650/1晶圓級封裝（WLP）尺寸（2.75mm x 2.15mm）決定， 0201 CBST電容、0402電容和2.2μH 0805電感，如圖4所示。

圖4.使用MAX77650/1作為SIMO電源樹的布局尺寸外部封裝尺寸 組件以英制單位給出。

表 2 提供了用于 CBST 的 0201 表面貼裝元件封裝的物理尺寸。

表 2.0201封裝表面貼裝元件尺寸和尺寸

SIMO通過在多個獨立電感之間共享單個電感來解決占位面積問題 降壓-升壓輸出。MAX77650/1的占位面積大約相當(dāng)于針頭面積的10倍，可實現(xiàn) 布局簡單，引腳電容最小，否則會在放電期間浪費功率。

集成電源樹解決方案還允許共享旁路電容器，因為引腳輸出是下一個 在IC封裝上相互之間。MAX77650/1允許：

引腳 SYS 和引腳IN_SBB共用同一個旁路電容器

引腳IN_LDO和引腳SBBO共用同一個旁路電容

盡可能共享旁路電容器，并降低電壓軌旁路電容器的值 置于低功耗和關(guān)斷模式通常會為器件的標(biāo)準(zhǔn)功能提供更多功率。 MAX77650/1 H橋降壓-升壓型集成了來自單個電感的三路獨立輸出。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)得到圖3所示的SIMO電源樹，其FoM為0.682 x 10-3，幾乎是普通電源的一半 單電感電源樹 FoM。

此外，通過在輕負(fù)載下進(jìn)入PFM模式，SIMO僅在必要時為輸出供電 保持效率。當(dāng)器件中的電路塊經(jīng)常進(jìn)入低功耗或休眠模式時，PFM 變?yōu)?一個要求。通過這種方法，需要維修的輸出被賦予一個充電周期，而其他輸出則被賦予充電周期 被跳過。PFM 通過隨著負(fù)載的降低而降低開關(guān)損耗來降低功耗。

結(jié)論

表 3 顯示了與普通電源樹相比，F(xiàn)oM 值為一半的情況，SIMO 電源樹 為相同的系統(tǒng)負(fù)載要求提供占位面積和功率損耗的最佳組合。 SIMO 電源樹的最小輸入電壓為 2.7V，可最大限度地利用可用電池容量。

表 3.用于通用單電感器和 SIMO 電源樹的 FoM 和最小輸入電壓

MAX77650/1具有低FoM和最小工作電壓，集成智能電源選擇器。 Li+/Li-Poly充電器，可通過I配置保護(hù)功能2C、三個LED吸電流器、一個模擬多路復(fù)用器、 和幾個電源監(jiān)視器 AFE。MAX77650/1最小輸入電壓為2.7V，可最大化可用電池電量 LiFePO4電池的容量，最小截止電壓為2.8V。

憑借低FoM，延長電池壽命可降低可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中更換/充電電池的成本。 低FoM確保器件可以最大限度地利用低容量電池，從而降低電池成本和 允許物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更小。為應(yīng)用程序的使用情況配置文件配置的 SIMO 電源樹解決方案 延長可穿戴物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運行時間。

審核編輯：郭婷