使用SIMO延長(zhǎng)耳戴式設(shè)備的使用壽命

集成度低的典型耳戴式解決方案會(huì)導(dǎo)致PCB空間和功耗方面的效率低下。另一方面，單輸入多輸出（SIMO）架構(gòu)可以在更小的空間內(nèi)有效地提供更多功率，從而為耳戴式設(shè)備提供更長(zhǎng)的電池壽命和更小的外形尺寸。

介紹

耳戴式設(shè)備是無(wú)線立體聲耳塞和健身監(jiān)測(cè)交叉的新興市場(chǎng)。然而，小尺寸加劇了電子產(chǎn)品的小型化挑戰(zhàn)，并對(duì)電池壽命提出了額外的挑戰(zhàn)。該設(shè)計(jì)解決方案提供了一種創(chuàng)新的電源管理系統(tǒng)，可在非常小的空間內(nèi)高效供電，同時(shí)為小型化耳戴式設(shè)備提供更長(zhǎng)的電池壽命。

典型電源管理實(shí)現(xiàn)

典型的耳戴式電源管理系統(tǒng)如圖2所示。電源管理 IC （PMIC） 使用電池充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和 LDO 為傳感器供電。第二個(gè)IC，一個(gè)雙LDO，為微控制器、藍(lán)牙和音頻供電。為簡(jiǎn)單起見，未顯示外部無(wú)源器件。?

圖2.典型的耳戴式功率流程圖。

典型的電源樹

典型實(shí)現(xiàn)的完整電源樹如圖3所示。大量使用LDO導(dǎo)致整體效率僅為69.5%。

圖3.典型的耳戴式功率流程圖。

典型解決方案尺寸

圖2中功率流圖的所有有源和無(wú)源組件都包含在圖4所示的解決方案中。

這種典型的耳戴式解決方案占用約41.5mm的PCB面積2.相對(duì)較低的集成度以及使用多個(gè)LDO和更大的無(wú)源器件導(dǎo)致解決方案在空間和功耗方面效率低下。

圖4.典型的耳戴式解決方案（41.5mm2).

創(chuàng)新解決方案

圖5所示的電源管理IC （MAX77650）在一個(gè)芯片中集成了為傳感器（3.3V）、微控制器（1.2V）、藍(lán)牙和音頻（1.85V）供電所需的電池充電器和穩(wěn)壓器。小型PMIC消除了與使用多個(gè)封裝相關(guān)的空間浪費(fèi)。SIMO降壓-升壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)了三個(gè)利用單個(gè)電感的開關(guān)穩(wěn)壓器，從而減少了必要的空間。此外，高頻操作允許使用小電感器，進(jìn)一步減少所需空間。板載一個(gè) LDO 用于噪聲敏感負(fù)載。為簡(jiǎn)單起見，未顯示外部無(wú)源器件。

圖5.MAX77650高度集成的PMIC。

MAX77650電源樹

圖6顯示了PMIC功率樹以及每個(gè)穩(wěn)壓器的輸出電壓、負(fù)載電流、效率和功耗（PD）。四個(gè)負(fù)載中的三個(gè)通過(guò)高效SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器連接到Li+電池。第四個(gè)負(fù)載由LDO從2.05V SIMO輸出供電，效率達(dá)到90.2%（1.85V/2.05V）。整體系統(tǒng)效率高達(dá)78.4%。

表1顯示了兩種解決方案的電源性能比較。

圖6.MAX77650電源樹

SIMO解決方案的卓越效率可顯著降低電池消耗，而其更寬的工作范圍（低至2.7V）可延長(zhǎng)耳戴式設(shè)備的無(wú)限制運(yùn)行。

西莫轉(zhuǎn)換器

圖7顯示了SIMO轉(zhuǎn)換器的框圖（除電感外，所有元件均集成在一起）。這種架構(gòu)的美妙之處在于它能夠集成三個(gè)利用單個(gè)電感的開關(guān)穩(wěn)壓器。開關(guān)穩(wěn)壓器以最小的損耗提供功率，巧妙的架構(gòu)消除了為每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器配備一個(gè)電感的需要。

圖7.西莫電源框圖。

電感均流

在遲滯、不連續(xù)電流控制模式下，電感以 V 的速率在 M1 和 M4 “導(dǎo)通”時(shí)建立電流在/L.當(dāng)達(dá)到設(shè)定限值時(shí)，電流通過(guò)M2和M3_x晶體管輸送到所選輸出，如圖8所示。輸出按照其輸出比較器要求的順序提供服務(wù)。

圖8.SIMO 電流波形。

降壓-升壓架構(gòu)優(yōu)勢(shì)

將耳戴式設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)立體聲藍(lán)牙耳機(jī)區(qū)分開來(lái)的主要特征之一是集成了一個(gè)或多個(gè)光學(xué)或慣性MEMS傳感器。光學(xué)傳感器利用集成 LED 的反射來(lái)測(cè)量血氧、脈搏率或其他生命體征。為了產(chǎn)生足夠的光強(qiáng)度，LED需要在比Li+電池的典型范圍更高的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行（4V至5V）。設(shè)計(jì)人員面臨著一個(gè)艱難的選擇：為系統(tǒng)增加一個(gè)降壓-升壓，這需要另一個(gè)IC;增加另一個(gè)電感器和更多的電容器，這占用了寶貴的空間和體積;或者犧牲信噪比，并冒著測(cè)量不準(zhǔn)確和用戶體驗(yàn)不佳的風(fēng)險(xiǎn)。SIMO降壓-升壓架構(gòu)通過(guò)使用任何一個(gè)設(shè)置為所需電壓（高達(dá)5.5V）的輸出來(lái)驅(qū)動(dòng)LED并優(yōu)化傳感器性能，從而解決了這個(gè)問(wèn)題。

在更小的空間內(nèi)延長(zhǎng)電池壽命

得益于其SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器和高效偏置LDO，小型MAX77650 PMIC （2.75mm x 2.15mm x 0.8mm WLP）可在不到典型方案一半的PCB空間內(nèi)以最小的損耗提供功率。圖 9 中的解決方案布局考慮了所有有源和無(wú)源組件。

圖9.MAX77650方案（19.2mm2)

總占用電路板空間僅為 19.2mm2.此外，MAX77650待機(jī)模式下僅消耗300nA電流，工作模式下僅消耗5.6μA電流。這節(jié)省了寶貴的電池壽命，并允許使用盡可能小的電池，同時(shí)延長(zhǎng)每次充電之間的使用時(shí)間，從而再次有助于減小系統(tǒng)尺寸。

審核編輯：郭婷