【導讀】無線IoT行業正在生產大量電池供電設備(圖1)。盡管基本的電池管理系統很容易理解，但具體配置隨電池技術(一次、二次、化學物質或形狀規格)和負載約束(電壓、電流或噪聲敏感度)而異。在所有這些變量條件下，我們似乎應該采用分立式方法來設計系統：每個模塊采用一片專用IC，例如圖2所示的典型系統。然而，該方法與此類便攜、輕巧裝置的其他重要要求相矛盾，尤其是對小尺寸的要求。本文探討三種非常重要的便攜式應用，證明即使需要多個模塊，圍繞SIMO核心轉換器量身定制的集成式電源管理方法也能輕松解決這一難題。
集成式電源設計方法
傳統方案通常會使用多個開關調節器及相關電感或使用多個線性調節器。對于便攜式電源管理，單電感多輸出(SIMO)架構解決了傳統方案中面臨的電源效率低下和尺寸問題。
與其他方法相比，SIMO方案以更小的空間提供更高的功率，支持更長的電池壽命和更小的外形尺寸。
雖然SIMO轉換器IC在集成度方面是一大進步，但可能需要附加功能來滿足更加復雜的系統要求。這就帶來了問題：有沒有可能將核心SIMO轉換器與各種不同等級的輔助功能集成在一起，從而將整個電源管理系統在單片IC中實現？
圖1. 無線連接的IoT設備
在以下的案例分析中，我們將SIMO技術應用到三種截然不同的便攜式應用中，從而解決了這一疑問。
典型可充電電池系統
(圖2)所示為典型的可充電電池系統。有交流適配器存在時，交流適配器通過充電器為電池充電，同時通過SW2為負載供電；在沒有適配器的情況下，電池接管，通過SW1為系統供電。由于空間和成本限制，通常必須使用多個LDO，同時利用單個開關調節器(BUCK)為最重的負載供電。可能還需要一個或多個LED驅動器，以支持IR遙控或RGB信號。
在以下部分，我們針對三種不同應用對該系統進行定制。
圖2. 典型耳戴式設備電源流程圖
圖3. 使用SIMO PMIC1的可充電電池系統
SIMO PMIC可充電電池系統
(圖3)所示為支持可充電電池系統的全集成SIMO PMIC方案。該方案利用兩個升/降壓開關調節器(BB3、BB2)代替LDO (圖2中的LDO3、LDO2)，實現對兩個負載高效供電。第三個升/降壓調節器(BB1)代替圖2中的BUCK。集成的LDO1用于噪聲敏感的負載。方案也集成了LED驅動器。最后，圖2中的充電器和開關也集成到圖3中的充電器和電源通路模塊中。
使用SIMO開關調節器與使用線性調節器的方案相比，前者的電源效率和尺寸優勢顯而易見。通過使用升/降壓調節器，即使在輸入電壓下降到輸出電壓以下時也能進行調節，從而將電池的最后一滴能量用盡。
案例分析：可充電遙控器
電視或智能家居等的可充電遙控器都需要電源管理系統，包括充電器和紅外LED驅動器。
對于這些系統，SIMO PMIC是理想選擇。圖5中的PMIC采用一個線性充電器(375mA)、一個三路輸出SIMO升/降壓調節器(共300mA)、一個LED驅動器(425mA)和一個LDO (50mA)。雙向I2C接口允許配置和檢查器件的狀態。
(圖4)所示為PMIC中充電器和開關的實現。智能電源通路電路在系統(SYS)和電池之間分配功率。當交流適配器作為電源時，輸入控制環路將系統電壓(SYS)調節到4.5V (VSYS-REG)。在這種情況下，充電器(晶體管T2及其相關控制)由SYS引腳供電，并為電池充電。在交流適配器不提供輸入電源的情況下，電池通過T2為IC電路及系統負載供電。與(圖2)中的配置相比，由于T2既作為線性充電器(有交流適配器時)的傳輸晶體管，又作為開關(無交流適配器時)，所以這種配置具有更高的硅效率。
圖4. 智能電源通路
圖5. SIMO PMIC1方案(21mm2)
得益于其SIMO開關調節器和高效偏置LDO，小尺寸PMIC (采用2.15mm x 3.15mm x 0.5mm WLP封裝)以最小損耗提供電源，PCB空間僅為21mm2，不足普通實現方法的一半。圖5所示的方案布局考慮了所有無源和有源元件。
此外，PMIC在待機模式下的耗流僅為300nA，優于其他可用方案至少2倍。這種能力及其效率增益延長了寶貴的電池壽命，通過使用最小電池幫助減小系統尺寸，同時延長兩次充電之間的時間間隔。
SIMO PMIC非充電電池系統
(圖6)中，更小的PMIC2實現了非充電電池系統的所有必須功能。
圖6. 采用SIMO PMIC2的非充電電池系統
圖7. SIMO PMIC2方案(16mm2)
案例分析：非充電活動監測儀
活動監測儀和胰島素筆采用LED實現各種功能，通常由AA型或AAA型圓柱電池供電。智能胰島素計量裝置有助于為胰島素筆加注正確數量的胰島素，并在加注結束時點亮LED。如身體活動、癲癇發作和睡眠監測儀等活動監測儀都像手表一樣戴在手腕上。將LED發出的光調諧到各種不同的頻率，穿透皮膚。光電檢測器檢測血液和身體組織反射的調制信號，提供關于病人物理活動的信息，例如心率、運動和呼吸。
SIMO PMIC是此類系統的理想選擇。(圖7)中的PMIC采用1個三路輸出SIMO升/降壓調節器(共300mA)、3個LED驅動器(每個3.2mA)和1個LDO (150mA)。雙向I2C接口允許配置和檢查器件的狀態。
該PMIC (采用2.15mm x 2.75mm x 0.7mm WLP封裝)以最小PCB面積(16mm2)實現供電。(圖7)所示的方案布局考慮了所有無源和有源元件。
此外，PMIC在待機模式下的耗流僅為300nA，有效模式下僅為5.6µA。
SIMO小尺寸非充電電池系統
(圖8) 中，精簡型PMIC3集成3個升/降壓調節器，形成最簡單、最小尺寸的非充電系統實現方法。
圖8. 采用SIMO PMIC3的非充電電池系統
案例分析：紐扣電池供電傳感器
濕度及其他IoT傳感器要求小尺寸、可靠的電源管理系統，以實現最小尺寸及最長工作時間和保存期限。
具有低靜態電流的SIMO PMIC是此類應用的理想選擇。圖9所示的PMIC采用三路輸出SIMO升/降壓轉換器(共300mA)。雙向I2C接口允許配置和檢查器件的狀態。
該PMIC (采用1.77mm x 1.77mm x 0.5mm WLP封裝)以最小PCB面積(14mm2)實現供電。圖9所示的方案布局考慮了所有無源和有源元件。
此外，PMIC在待機模式下的耗流僅為330nA，有效模式下僅為1.5µA。
圖9. SIMO PMIC3方案(14mm2)
總結
我們討論了實現電池供電設備的小尺寸和高效率電源管理系統面臨的挑戰。提出了量身定制的集成方案，通過選擇性地將支持既定復雜度的必須電路集成到單片PMIC，充分發揮SIMO架構的空間和電源效率的優勢。
我們將SIMO技術應用到三種不同的便攜式應用。對于每種情況，SIMO PMIC都根據應用進行定制，獲得了最佳的結果，實現了最小PCB尺寸和較長電池壽命。
第一款PMIC (MAX77278)集成線性充電器、智能電源通路、三路輸出SIMO升/降壓轉換器、LED驅動器和LDO，是可充電應用的理想選擇。
第二款PMIC (MAX77640)集成三路輸出SIMO升/降壓轉換器、3個LED驅動器和1個LDO，為非充電應用提供量身定制的方案。
第三款PMIC (MAX17271)集成三路輸出SIMO升/降壓轉換器，專門為小尺寸、精簡型應用量身定制。
這種量身定制的電源管理實現方案，最大程度發揮了SIMO架構的空間和電源效率優勢，為便攜式應用提供最小尺寸、最高效率的電源管理方案。
推薦閱讀：
