小尺寸和最小的功率損耗是物聯網 （IoT） 硬件（尤其是可穿戴設備）的關鍵標準。滿足這些標準通常需要一些權衡。例如，為了滿足特定的功耗目標，設計人員通常不得不在增加設計尺寸方面做出妥協。本應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穩壓器輸出，從而實現由Li+電池供電的緊湊型物聯網硬件。

介紹

所有行業的物聯網 （IoT） 正在推動所有行業的數據采集呈指數級增長。從電器到汽車等等，自主的“智能”事物正在處理數據并共同形成通常稱為物聯網的網絡。在這個物聯網世界中，“智能”事物被松散地定義為產生具有重大價值信息的節點;但是，實現硬件 負責數據采集，進行細致的設計規劃。考慮使用可穿戴設備。要啟用 可穿戴設備要長時間運行，它們必須設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計 同時保持較小的解決方案占用空間。

擴展電池容量

電池為便攜式電子產品提供臨時的、不受調節的電源。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成分是標稱電壓接近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LiFePO4的標稱電壓約為3.3V。在為設備供電時，源電阻有限的電池會加載。由于負載的電流消耗，在使用時，可用的電池電壓會降低。

負載消耗的功率越多，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境溫度和充電/放電的負面影響 周期。由于這些原因，電池需要一種具有以下特征的調節分配形式：

盡可能高效地為多個電壓軌提供電源轉換

降壓充滿電的電池并升壓已放電的電池，以在負載上保持恒定電壓

防止超過最小截止電壓

防止超過最大放電電流

電源管理系統所需的最高最小輸入電壓是系統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，電源樹應該是 設計為在電池的最小截止電壓下工作，并應進入欠壓鎖定狀態 （UVLO）不久之后。

最大化系統效率

具有輕巧緊湊外形的可穿戴物聯網設備通常需要具有減少的微型電池 運行。不使用電壓軌時，電源管理系統應關閉。為了有效地 管理可穿戴物聯網設計中的電壓軌，電源管理集成電路 （PMIC） 可以提供 通過在需要時啟用/禁用電源塊實現靈活性。PMIC基本上可以實現可穿戴設備。 物聯網設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計靈活性 切換、保護、監視和控制。使用集成電源樹帶來的優勢 與使用分立元件設計的相同電源樹解決方案相比，具有最大的系統效率，即 除PMIC外，穩壓器采用單獨的封裝。當所有電路都在內部訪問時 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。

電源管理系統以三種不同的形式執行 DC-DC 電源轉換，其區別在于 物理尺寸、靈活性和效率。

線性穩壓器—可以完全集成并具有電壓可擴展性，但效率不高

基于電容的開關穩壓器—可以完全集成且高效，但不具有電壓可擴展性

基于電感的開關穩壓器—可以高效且具有電壓可擴展性，但往往不能完全集成

通常，基于電容的開關穩壓器（也稱為電荷泵）不是標準的，因為它們 輸出電壓可擴展性有限。例如，電荷泵被認為是柵極的合適選擇 司機;然而，對于可穿戴設備中的電路模塊，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 穩壓器提供最靈活的電源管理。

為了最大限度地提高效率，降壓穩壓器為線性穩壓器提供恒定的輸入電壓。圖1描述了可穿戴物聯網設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核。在這個典型的 實現時，從Li+電池開始的分支進入降壓穩壓器，并在 1.85V LDO線性穩壓器，總效率為81.2%。如果將1.85V LDO線性穩壓器直接連接到Li+電池，效率將達到48.7%，功耗增加10倍。這還證明了降壓穩壓器在電池供電系統中的價值。

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，但適用于所有線性穩壓器和開關穩壓器。

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效率？系統= 69.1%。 每個電源塊功率損耗的總和定義了系統功率損耗Psystem損耗為56.7mW。3.3V 最大壓差為100mV的LDO決定了系統所需的最小輸入電壓， 這是3.4V。實際系統占位面積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，導致 二者。要比較不同電源樹實現的功率損耗和占位面積，請考慮一個數字 功績（FoM），定義為：

品質因數：FoM = FP x PL

其中 PL 以 W 定義功率損耗，FP 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 占地面積 FP 組合。理想的電源樹的 FoM 等于零;然而，在實踐中 在應用中，通常PCB面積有限，并且由于功率轉換而導致的功率損耗。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更小的FoM值。

在圖1所示的電源樹中，還有提高系統效率、功耗和散熱的空間 性能;但是，需要權衡取舍。1.2V LDO線性穩壓器可以用第二個替代 板載降壓穩壓器，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，其高度相當于一疊五張打印紙

為可穿戴物聯網設備增加超過 1mg 的重量

需要增加 8.3% 的布局面積（更大的占地面積）

產生可能損害整體系統性能的額外開關環路

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果所需的最小輸入電壓，則訪問 可穿戴物聯網設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線性穩壓器的壓差， 不使用標稱開路電壓的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） 拓撲結構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

為了實現高效率和熱性能，可能會有一種誘惑，避免線性 穩壓器，因為控制環路中始終導通的串聯調整管。但是，必須考慮 可穿戴設備PCB上的空間限制。鑒于此，線性穩壓器可能更好 選項，提供噪聲敏感電子設備所需的清潔電壓電源的額外優勢，例如 作為脈搏血氧儀、耳戴式設備和生物電位 AFE。這些設計權衡是不可避免的。系統 性能不應該因為妥協而受到影響 — 事實上，這種情況為以下方面提供了機會 設計具有低FoM的高效系統電源樹。

從電池的最大標稱電壓到最小截止電壓的電源樹 需要一個 DC-DC 穩壓器，該穩壓器在不考慮輸入電壓電平的情況下輸出恒定電壓。 同相降壓或升壓穩壓器提供此功能。有了這種類型的調節器，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為設備供電，從而根據 消耗的電流。

使用降壓-升壓拓撲作為預穩壓器可增強級聯線性穩壓器。這樣，如果 電池電壓接近最小截止值時，線性穩壓器從 降壓-升壓。降壓-升壓前置穩壓器允許為線性 穩壓器剛好高于壓差，可實現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載瞬變并保持 線性穩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、保護和拓撲特定功能。

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節范圍內。

脈沖頻率調制 （PFM） 在電壓開始脫離穩壓之前提供每個輸出軌服務。

低靜態電流，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。

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效率？system = 78.5%。 每個電源塊功率損耗的總和定義了系統功率損耗P系統損耗= 35.5mW。The MAX77650/1 內部控制邏輯規定系統所需的最小輸入電壓為2.7V。實際的 系統尺寸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于針頭面積的10倍，可實現 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 置于低功耗和關斷模式通常會為器件的標準功能提供更多功率。 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。 拓撲結構得到圖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，通過在輕負載下進入PFM模式，SIMO僅在必要時為輸出供電 保持效率。當器件中的電路塊經常進入低功耗或休眠模式時，PFM 變為 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 通過隨著負載的降低而降低開關損耗來降低功耗。

結論

表 3 顯示了與普通電源樹相比，FoM 值為一半的情況，SIMO 電源樹 為相同的系統負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配置保護功能2C、三個LED吸電流器、一個模擬多路復用器、 和幾個電源監視器 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網設計中更換/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 允許物聯網設備更小。為應用程序的使用情況配置文件配置的 SIMO 電源樹解決方案 延長可穿戴物聯網設備的運行時間。

審核編輯：郭婷