本文转载自@@：贸泽电子@@@@
我们生活在@@一个被电子@@设备@@包裹的@@时代@@，这些设备@@使我们的@@学习@@、工作@@、锻炼@@、旅行和@@交流等变得非常方便@@，尤其是@@可穿戴设备@@@@正在@@成为人们日常生活中不可或@@缺的@@一部分@@。在@@医疗应用中@@，可穿戴设备@@@@可用于监测心率@@@@、血压@@、血氧水平@@、运动中燃烧的@@卡路里@@、睡眠跟踪等@@。为了提供更好的@@用户体验@@，高性能@@、小@@尺寸和@@低功耗@@是这些可穿戴设备@@@@的@@关键指标@@。当然@@，要想全部实现这些目标通常需要在@@电路设计中进行一些权衡@@，比如@@@@为了满足特定的@@功耗目标@@，设计者就必须增加设备@@的@@尺寸@@。那么@@，有没有办法可以在@@不增加这些电池供电设备@@尺寸的@@情况下又能有效延长电池寿命呢@@？
答案当然@@是肯定的@@@@。首先@@，电子@@元器件的@@小@@型化@@、低功耗@@、高性能@@发展趋势非常有利于可穿戴设备@@@@的@@小@@尺寸设计需求@@。其次@@，快速充电以及@@先进的@@电源@@管理@@@@IC（PMIC）技术@@在@@可穿戴设备@@@@中获得广泛应用@@。近些年@@@@，随着@@SIMO PMIC技术@@的@@日趋完善@@，可穿戴设备@@@@的@@电源@@设计@@变得更加容易@@。
可穿戴设备@@@@中的@@电源@@管理@@@@
根据@@Mordor Intelligence的@@分析@@，2020年@@，可穿戴技术@@的@@市场价值约为@@279.1亿美元@@，预计@@到@@2026年@@将达到@@@@@@740.3亿美元@@，在@@预测期@@（2021至@@2026年@@），复合年@@增长@@率@@（CAGR）将达到@@@@17.65%。尤其是@@MEMS传感器的@@出现@@，进一步加速了可穿戴技术@@的@@发展@@。比如@@@@，将这些传感器集成到一个专用的@@可穿戴设备@@@@中@@，人们就可以随时随地的@@利用可穿戴健身追踪系统监测身体健康状况@@。据思科公司@@（Cisco）的@@数据@@，全球连接的@@可穿戴设备@@@@数量有望从@@2018年@@的@@@@5.93亿台@@增至@@@@2022年@@的@@@@11.05亿台@@。
来自@@Grand view Research的@@市场预测数据更加乐观@@，他们的@@分析@@师认为@@，2020年@@全球可穿戴技术@@的@@市场规模达到@@了@@406.5亿美元@@，预计@@从@@2021年@@到@@2028年@@将以@@13.8%的@@复合年@@增长@@率@@@@（CAGR）增长@@。
促使市场快速发展的@@主要因素来自@@两个方面@@：
一是物联网@@@@（IoT）等技术@@的@@进步催生大量的@@互联设备@@@@，这些设备@@的@@受欢迎度正在@@迅速上@@升@@； 二是慢性病和@@肥胖症的@@发生率不断攀升@@，促使人们采用可穿戴产品@@，如@@活动跟踪器和@@身体监测器@@，用于监测用户整体健康状况并提供实时数据@@。
这些可穿戴设备@@@@还能提供与日常事件和@@生理数据有关的@@信息@@，如@@睡眠质量@@、心率@@、血氧水平@@、血压@@、胆固醇水平和@@燃烧的@@卡路里等@@。
可穿戴设备@@@@通常由@@微控制器@@、存储器@@、通信@@、显示器@@、传感器和@@电源@@管理@@等模块构成@@。其中@@的@@微控制器@@、显示器@@和@@传感器可能有不同的@@电压要求@@，许多外围设备@@如@@通信@@@@IC和@@传感器大多数时间是处在@@休眠模式@@，只有在@@需要时才会通电@@，因此@@，在@@可穿戴设备@@@@内部通常需要多个电压轨@@。
根据@@设计需求@@，微控制器自始至@@终都处于工作@@状态@@，堪称可穿戴设备@@@@的@@功耗大户@@，并且性能和@@所用功率之间@@存在@@明显的@@相关性@@，其电流消耗约为@@40μA/MHz左右@@。基于@@尺寸@@、性能及功耗的@@考虑@@，可穿戴设备@@@@在@@设计过程中必须对电源@@管理@@给予足够的@@重视@@。目前@@，可穿戴设备@@@@的@@电源@@管理@@通常都是基于@@@@PMIC，且具备@@充电@@、DC-DC转换器@@和@@调节器等功能@@。基于@@对可穿戴市场的@@良好预期@@，PMIC也必将是一个潜力无限的@@市场@@。
图@@1：可穿戴设备@@@@的@@典型系统架构@@@@
（图@@源@@：Renesas）
IC Insights在@@其@@2022年@@第一季度的@@@@McClean报告中提到@@，新冠疫情致使全球经济出现衰退@@，然而@@2021年@@全球半导体市场的@@销售额却史无前例地飙升了@@30%，达到@@741亿美元@@的@@历史新高@@。强劲的@@需求以及@@供应链中断导致去年@@的@@@@模拟@@IC平均售价上@@涨了@@6%， 预计@@2022年@@模拟@@IC市场又将是一个双位数增长@@年@@@@。除去放大器和@@比较器@@，电源@@管理@@IC（PMIC）预计@@将在@@@@2022年@@成为第二大模拟细分市场@@，相比@@上@@一年@@度增幅达到@@@@12%，其中@@5G和@@消费电子@@市场的@@需求是市场增长@@的@@主要驱动力@@。
图@@2：PMIC预计@@将在@@@@2022年@@度实现@@12%的@@增幅@@
（图@@源@@：IC Insights）
图@@3：2020年@@到@@2026年@@电源@@@@IC市场将以@@3%的@@幅度增长@@@@，移动和@@消费应用市场占比最大@@
（图@@源@@：Yole）
话题重新回到可穿戴设备@@@@的@@电源@@管理@@@@。众所周知@@，在@@可穿戴医疗设备@@开发之初@@，电源@@管理@@必须被视为一项高级战略@@。虽然大多数现代微控制器的@@设计都考虑到了低功耗@@应用@@，但@@开发高效的@@电源@@管理@@方案对于最大限度地降低功耗@@和@@延长电池寿命仍是至@@关重要的@@@@。也许很多人会说@@，电池寿命同样是可穿戴设备@@@@中的@@一个关键问题@@，深思熟虑的@@电池规划对于可穿戴设备@@@@尤其是@@可穿戴医疗设备@@的@@成功至@@关重要@@。综合来看@@，选择合适的@@电池和@@实施适当的@@电源@@管理@@是设计可穿戴设备@@@@的@@主要挑战@@。 以智能手表或@@健身带等小@@型可穿戴设备@@@@为例@@，它们通常只能容纳电压为@@3.8V、容量为@@130mAh至@@410mAh的@@单电池锂离子电池@@，其电池管理@@和@@充电系统必须在@@设备@@运行以及@@充电时随时密切监测电流@@、电压和@@温度的@@变化@@。理想的@@电源@@管理@@解决方案需要确保系统消耗尽可能少的@@电力@@，并尽可能快速@@、安全的@@完成充电@@。 Texas Instruments（TI）的@@TPS65070是一款带有电池充电器@@、三个降压转换器@@和@@两个@@LDO的@@芯片@@，专门用于便携式应用的@@单芯片电源@@管理@@@@。设备@@充电时可由@@插脚上@@的@@@@USB端口供电@@，也可由@@连接到插脚@@AC的@@墙壁适配器的@@直流@@电压供电@@。三个高效的@@@@2.25MHz降压转换器@@旨在@@为处理器@@、存储器@@和@@@@I/O进行供电@@。降压转换器@@在@@轻负载下进入低功率模式@@，以在@@尽可能宽的@@负载电流范围内实现最大效率@@。 由@@STMicroelectronics开发的@@@@STMP30同样是一款可有效改善便携式设备@@电池运行时间的@@电源@@管理@@芯片@@。这款产品的@@输入电压范围为@@2.9V至@@4.8V，包括三个集成@@DC/DC转换器@@，以提供智能手机以及@@其他便携式设备@@中@@AMOLED显示器@@所需的@@所有电源@@轨@@。 与其他将@@VOUT1固定在@@@@4.6V的@@设备@@不同@@，550mA VOUT1升压@@转换器@@提供可调节的@@输出@@电压@@，电压可以设置在@@@@4.6V和@@5.0V之间@@，增量为@@100mV，能有效优化显示器@@亮度@@，使其在@@任何条件下都具有最低的@@功耗和@@最佳的@@可视性@@。其余两个输出@@@@550mA单相降压@@-升压@@逆变转换器@@提供@@，可编程范围为@@-0.8V至@@-6.6V，以及@@5.5V至@@7.9V、150mA，输出@@电压通过外部引脚使用单线@@（S-Wire）协议编程@@。
SIMO PMIC：小@@型高效电源@@设计@@解决方案@@
轻便紧凑的@@可穿戴设备@@@@通常使用微型电池@@。尽管电池的@@容量在@@过去十年@@中有所增加@@，但@@储存的@@电量在@@有限的@@时间内很快就会耗尽@@。永久可穿戴和@@物联网@@@@（IoT）设备@@的@@设计者的@@目标是延长电池运行时间@@，同时缩小@@外形尺寸@@。而小@@尺寸@@、高度集成的@@@@电源@@管理@@@@IC（PMIC）是实现这一目标的@@优选方案@@。
PMIC是一种高度集成的@@@@电源@@产品@@，它将传统的@@多输出@@电源@@封装在@@单个芯片中@@，从而以较小@@的@@体积在@@多个电源@@应用场景尤其是@@由@@电池供电的@@设备@@中实现高效率@@，它不仅优化了设备@@的@@内部布局@@，还最大化了能效@@，有效延长了电池的@@寿命@@。
直流@@-直流@@（DC-DC）转换器@@是电子@@产品中最常用的@@@@PMIC，近年@@来由@@于其高转换效率而成为市场的@@主力军@@。根据@@工作@@模式和@@储能@@188足彩外围@@app 的@@不同@@，DC-DC变换器可分为线性稳压器@@@@（LDO）、电感降压@@/升压@@（buck/boost）开关@@DC-DC稳压器@@和@@电容开关@@@@DC-DC稳压器@@。DC-DC转换器@@的@@三种不同架构@@在@@物理尺寸@@、灵活性和@@效率方面是有差异的@@@@，其中@@：LDO可以完全集成@@，具有良好的@@电压可扩展性@@，但@@效率不高@@；电容式开关@@稳压器@@@@（也称为电荷泵@@）可完全集成@@，效率高@@，但@@电压可扩展性差@@；电感式开关@@稳压器@@非常高效且电压可调@@，但@@缺点是不能完全集成@@。因此@@，现阶段可穿戴设备@@@@大多选择线性@@LDO和@@电感开关@@稳压器@@@@（Buck/Boost），两者都可以提供设计所需的@@灵活电源@@管理@@@@。
在@@可穿戴设备@@@@的@@设计中@@，是选择线性@@LDO还是电感降压@@@@/升压@@拓扑@@@@需要一定的@@权衡@@。在@@传统的@@电感开关@@稳压器@@结构中@@，每个输出@@都需要一个独立的@@电感@@，这些电感通常笨重且昂贵@@，非常不利于实现设备@@的@@小@@型化@@。为了减小@@尺寸@@，人们经常会选择紧凑@@、低噪声的@@@@LDO，但@@LDO的@@损耗又比较大@@。问题又来了@@，设计师该如@@何在@@二者之中做出权衡@@，有没有两全其美的@@方案呢@@？
答案是@@：单电感多输出@@@@（SIMO）稳压器@@可以解决这个难题@@，它能够同时解决尺寸和@@能效等问题@@。
基于@@SIMO架构@@的@@@@PMIC使用单个电感器作为能量存储@@188足彩外围@@app ，以支持多个独立的@@@@DC输出@@。与传统的@@电感式@@DC-DC开关@@稳压器@@相比@@@@，SIMO架构@@PMIC通过单个电感器提供多个输出@@@@，将原本需要多个分立组件的@@功能集成到更小@@的@@封装中@@，节省了空间@@@@，同时仍保持了高效率@@。
ADI MAX77659
ADI的@@MAX77659是一款带有集成开关@@模式降压@@-升压@@充电器的@@单电感多输出@@@@@@（SIMO）PMIC，充电仅需@@10分钟即可提供超过@@4个小@@时的@@供电时间@@，并使用单电感为多条电源@@轨供电@@，将材料清单@@（BoM）减少@@60%，总解决方案尺寸缩小@@@@50%。与目前@@其他的@@@@PMIC相比@@，它可以非常方便地用于可穿戴设备@@@@和@@物联网@@设备@@@@，而且空间@@更小@@@@。MAX77659集成了一个开关@@模式降压升压@@充电器和@@三个独立可编程降压升压@@稳压器@@@@，共享一个电感器@@。调节器在@@中到重负载条件下以@@91%的@@效率运行@@，而在@@轻负载条件下仅消耗@@5.0μA的@@静态电流@@，延长了电池寿命@@。
图@@4：MAX77659工作@@方框图@@@@
（图@@源@@：ADI）
TI TPS65135
TI双电源@@转换器@@@@TPS65135具有单电感器和@@多输出@@@@（SIMO）拓扑@@，很少使用外部组件@@，通过降压@@/升压@@拓扑@@@@，产生高于或@@低于输入电源@@电压的@@正和@@负输出@@电压@@。源于@@SIMO拓扑@@，TPS65135具有良好的@@线路瞬态调节@@。该产品可用于从@@2.5V至@@5.5V的@@输入电源@@电压产生分流轨电源@@@@，并针对单电池锂离子电池的@@@@3.3V轨进行了优化@@。TPS65135在@@降压@@-升压@@拓扑@@@@中工作@@@@，仅使用@@2.2µH电感器产生正负输出@@电压@@。当输出@@电流失配达到@@@@50%或@@更低时@@，它可以通过降压@@升压@@产生高达@@6V的@@正输出@@电压和@@低至@@@@-7V的@@负电压@@（即输入电源@@电压可能高于或@@低于正输出@@电压@@）。两个输出@@都由@@@@EN引脚控制@@，即两个输出@@在@@高逻辑电平下启用@@，在@@低逻辑电平下禁用@@。当输入电源@@电压过低@@，无法正常工作@@时@@，集成的@@@@UVLO功能将禁用设备@@@@。
图@@5：TPS65135系统框图@@@@
（图@@源@@：TI）
后记@@
根据@@Statista的@@数据@@，预计@@到@@2022年@@全球可穿戴技术@@支出将达到@@@@@@900亿美元@@，并且会随着@@时间的@@推移而不断增加@@。薄@@、小@@、轻是可穿戴设备@@@@的@@物理要求@@，也是当今可穿戴技术@@限制电池寿命的@@主要原因@@。传统电池@@，如@@锂离子硬币电池@@，可能适用于传感器和@@其他低功耗@@可穿戴设备@@@@@@，但@@它们难以满足健身带和@@智能手表等功能更强的@@可穿戴设备@@@@的@@需求@@。延长电池寿命对于此类设备@@获得市场认可至@@关重要@@，没有人希望智能穿戴设备@@的@@电池在@@几个小@@时内用完@@。然而@@，电池复杂的@@内部结构将大大增加设备@@的@@尺寸和@@成本@@，使人们不方便佩戴@@。为了使可穿戴设备@@@@能够长时间运行@@，能量采集@@、电池管理@@、电源@@管理@@和@@低功耗@@解决方案都是延长可穿戴设备@@@@电池寿命的@@有效措施@@。
很明显@@，在@@开发可穿戴设备@@@@时@@，电池选择和@@功耗管理是设备@@整体成功的@@关键@@。工程和@@设计团队的@@挑战是仔细平衡每个设备@@中的@@变量@@，以满足所有要求@@，并根据@@所选电池提供有限的@@功率@@。SIMO PMIC解决方案不仅提高@@了器件的@@能效@@，而且由@@于其高度集成@@，大大减小@@了电路板的@@尺寸@@。它是电池供电设备@@电源@@管理@@的@@理想解决方案@@。