新的性能挑战:如何将电源电路小型化以用于可穿戴设备

日期:2017-02-14

作者:Mark Shepherd, Thomas Kail, Stephan Kreszl
 
多年来,智能手机对高密度电源系统的设计提出很高要求。但是,与电量相关的矛盾同样存在,一方面是电池的长时间运行,另一方面则希望包括电池在内的每一个组件都能尽量小型化。在智能手机和平板电脑的电源电路中,设计小型化最有效的方法就是集成,尽可能多地结合电源系统的功能块,使其成为一个单一的电源管理IC(PMIC)。
现在也许是时候该承认,可穿戴设备制造商正对电源系统提出更高要求。在该领域,对功率密度的需求甚至比在智能手机或平板电脑更高。和智能手机类似,智能手表和健身腕带等可穿戴设备都是便携式计算设备,其中包含多个传感器、无线电和围绕处理器内核的用户接口外围设备。
但外观上尺寸要小好几倍,可用于电池的空间更小得惊人。然而,根据消费者对早期发布智能手表的反应显示,用户非常关注电池运行时间,相比智能手机或平板电脑,他们特别不希望频繁地为可穿戴式设备充电。
可穿戴设备的设计师正面临着设备小型化的终极挑战。然而,矛盾的是,可穿戴设备设计师迄今为止仍没有类似支持智能手机原始设备制造厂商那样的集成策略。这并不令人意外,因为事实上可穿戴设备的范畴已经覆盖了大量的设备类型,在可穿戴设备发展的早期阶段,定义电源管理IC(PMIC)以服务多个不同设备显得十分困难。
现在,手腕上佩戴设备的架构已经具备明显的趋势,智能手表和健身腕带正应运而生。而这又导致了一系列新的“微PMIC”的出现,这是解决可穿戴设备功率密度问题的方案。
 
传统的电源管理IC市场的发展
当电源系统设计师想到PMIC时,映入脑海的通常是高功率芯片方案,优化用于高通、英伟达、英特尔等应用处理器生产商生产的处理器。这些PMIC提供了刚好合适的电源输出组合,必要的散热路径,为负载提供必要的供电。一些相对不被广泛使用的处理器可能没有对应的PMIC,设计师在选用的时候可能会因此感到十分崩溃。
事实上,在智能手机和平板电脑领域,市面上仅有一两个主流的处理器系列,这给PMIC制造商提供了足够的规模经济,得以开发针对特定处理器的设备。
然而在可穿戴设备市场,处理器的选择没有统一的标准,所以电源半导体厂商都没有一个标准的处理器规格来制定适用于可穿戴设备的新PMIC。
所以,OEM设计师是否能够找到一款标准的PMIC恰好满足其需要?显然,一个瞄准广阔可穿戴设备市场的PMIC可能要么无法满足所有系统的需要,因此需要额外的分立电源器件,这样就否定了使用PMIC的益处;要么,这样的PMIC包含了多余的功能,从而增加功耗以及PMIC晶圆的成本和尺寸,成为非理想的解决方案。
 

图1:智能手表的标准架构。图中元器件由艾迈斯半导体制造。
 
但如果处理器选择的多样性不利于标准PMIC的提供,也许标准化电源可以通过其他方式实现?
图1是一个智能手表的设计图。微控制器可以在一系列使用ARM®处理器内核的标准设备中进行选择。但对于大部分智能手表来讲,其基本整体架构是类似的,因为它们都希望满足消费者在生物和环境感知、定位信息、用户及通信接口方面的需求。
所以,如果PMIC制造商采取这种常见的架构作为他们的标准,他们将能够首次为可穿戴设备的电源系统开发一个集成的解决方案,为原始设备制造商的产品提供完全或几乎完全符合其功率要求的器件。主处理器、蓝牙®和GPS无线电可以在1.8V的电源下运作,这通常由降压稳压器提供。
其他功能块需要3V电源。主要是显示部分以及传感器(如图1所示艾迈斯半导体的AS7000生物传感器模块)。此外,直流无刷电机(BLDC)提供的触觉反馈还需要独立的电源来提供功率脉冲。
这种电源系统设计的传统方法要求使用多个离散的电源芯片:
·         一个独立的电池充电器
·         1.8V电源降压稳压器
·         用于无刷直流电动机的触觉反馈驱动器或LDO
·         用于显示屏或传感器的LDO可能需要3V电压输入
 
这种方法很难实现小型化,芯片本身需要大电路板空间,还需要通过电路板走线将它们连接到系统的其余部分。这还没有考虑布线难度与辐射管理,以及使用多个组件对装配成本产生的影响和由于使用多个分立元件导致可靠性降低的问题。
相比之下,微PMIC更容易集成进设计并实现更简单的电路板布局。艾迈斯半导体专为可穿戴设备量身打造的微PMICAS3701可以实现这一点。此器件为图1所示的系统类型进行了优化,能节省相当可观的空间,AS3701采用仅有0.4mm脚间距的4平方毫米芯片级封装。该芯片包括一个全功能的具有电源路径管理的线性电池充电器、多个电源输出、保护功能、上电时序控制以及连接MCU的I2C接口。
AS3701的脚位布置专为降低成本以及节省空间而设计。图2显示了在图1中所描述的可穿戴设备的电路板布局。若将AS3701内部三个脚位去掉,则给出了足够的空间用于过孔连接,而无需将过孔打在脚位上。
 

图2:布局图显示了用于典型智能手表设计的AS3701
 
微PMIC及其细小的脚位如何满足智能手表复杂的电源要求?在AS3701A中,多个电源输出,包括两个200mA LDO、一个500mA降压DC-DC转换器,两个40mA的可编程电源阱/GPIO(见图3)。如图1所示,一个不由AS3701A提供的电源为用于AS7000LED的5V输入,这需要由离散的升压转换器提供。


图3:AS3701A微PMIC包括多个电源模块和一个电池充电器
 
同步降压转换器具有省电功能:动态可调电压以及1MHz-4MHz范围内可选择频率可针对各种电源负载优化效率。图4表明,当电源负载在1mA-300mA之间,它能够实现高效率,考虑到设备2mm x 2mm封装内的功能块数量,取得这样的高效率着实难得。


图4:AS3701内500mA直流-直流转换器的效率曲线
 
当然,虽然功率密度和电池的较长运行是可穿戴设备电源系统最重要的方面,系统设计还需要满足一定的最低性能标准,至少不能存在噪声和散热问题。
GPS模块对电压纹波噪声的峰-峰值特别敏感:他们通常所能承受的最大值是50mV。这里,AS3701A的DC-DC转换器提供了足够大的安全裕量。(参见图5)
 

图5: AS3701A中DC-DC转换器输出的电压纹波的峰-峰值是完全低于GPS安全模块50mV上限的。在测试条件为3.7V输入电压,1.8V输出电压,20mA输出电流,2MHz开关频率,低噪声模式下,输出纹波仅有14.4mV。
 
智能手表微PMIC的负载通常都低于50mA;传感器通常使用几十微安的电流。这意味着,热负载非常小,微PMIC小小的封装就可以轻松处理。
最大峰值电流通常来自于触觉马达:其启动电流可高达100mA ,但启动后会迅速下降。初始起动电压也必须足够高以满足启动电压规格,这在电机数据表中都有说明。
通过可编程LDO,AS3701可满足此要求:用户可以在一个较宽的电压范围内进行选择,通过I2C接口进行电压调整,以支持触觉电机的开关脉冲,动态调整输出电压以满足电流的瞬间变化需求。
 
 
PMIC方法的益处和缺点
以上说明了如果有可用的处理器PMIC而不使用,设计师将面对如何“崩溃”的局面。如果不使用智能手表的微PMIC,设计师是否也会陷入同样崩溃的境地?
显然,若使用分离元器件,不可能实现如此小的电路板尺寸。假设图1代表了一款新的智能手表或健身腕带设计的功能,像AS3701这样的微PMIC显然是完美的选择。
选用微PMIC还会给设计师带来其他的优势。单一电源器件使得装配更简单就是优势之一。同时,微处理器还提供了其它优势。图6是AS3701评估板图形用户界面的截图。很明显,我们可以很简单的去控制DCDC和LDO的输出电压。该图形用户界面还实现了上电时序控制和对充电功能的配置,以便适用于各种不同电池类型,以及各种其他功能。通过I2C接口,所有这些寄存器都可以通过微控制器来改写,设计师能够在系统运行过程中随时改写输出电压,比如,使芯片进入待机模式。
因此,一些用户可能会本能地担心,使用微PMIC将限制其优化电源性能以满足应用需要的灵活性,事实上,单颗高度集成的微PMIC的可编程功能可以确保所有输出都能够随时随地的满足负载的需求。
 

图6:屏幕截图为AS3701A微PMIC的设计工具
 
摘要
“可穿戴设备”的涵盖非常广泛的产品类型。但是,最常见的类型是那些戴在手腕上的产品,主要是智能手表和健身腕带。
智能手表和健身腕带的架构正日趋标准化,并结合包括环境、生物传感、无线连接和微控制器的功能块。这正引领新的标准集成功率器件或微PMIC的兴起,可根据传感器、无线电和处理器的要求提供不同的输出电源。
在这里,艾迈斯半导体描述在智能手表中利用诸如AS3701的微PMIC替换传统电源系统设计的益处。这显示了用户如何通过节省电路板占位面积获得巨大收益,在功率密度的设计上获得巨大的提升。
文章也描述了使用微PMIC的其他好处,包括节约装配成本、简化电路板布局以及设计和编程工具的可用性。
 
作者简历
Mark Shepherd是艾迈斯半导体美国西北部的一个现场应用工程师。自从2011年加入艾迈斯半导体,他一直专注于电源管理领域。在电子行业,他拥有逾20年的工作经验。他毕业于旧金山州立大学,拥有电气工程学学士学位。
Thomas Kail是艾迈斯半导体的电源管理产品经理,工作地点位于奥地利格拉茨附近的公司总部。他负责PMIC和诸如LDO、 DC-DC转换器、LED驱动器等独立IC的产品定义和技术营销。他于2006年作为电源管理产品应用工程师加入艾迈斯半导体。他拥有格拉茨理工大学的电气工程硕士学位。
Stephan Kreszl在测量和自动化领域拥有超过10年的电子行业工作经验。从2001年到2012年,他供职于Anton Paar的生产线,负责实验室测量仪器的操作。2013年,他作为硬件应用工程师加入艾迈斯半导体,负责LDO、DC-DC转换器和微PMIC。他拥有格拉茨高等教育技术学院电子工程专业文凭。
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