汽車/穿戴裝置設計利用PMIC提高能效

2021-03-17
作者 Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times Europe編輯、EEWeb主編

電源管理IC(PMIC)可在單個晶片內提供完整的電源管理功能。它常被用來為小型電池供電設備供電,因此,整合多種功能可以提高空間利用率和能源效率...

電源管理IC (PMIC)可在單晶片中提供完整的電源管理功能。它常被用來為小型電池供電裝置供電,因此,整合多種功能可以提高空間利用率和能源效率。PMIC通常整合的功能包括電壓轉換器和穩壓器、電池充電器、電池電量指示器和LED驅動器。

低功耗PMIC必須提供緊湊的外形尺寸和高效率,才能為穿戴式裝置提供較長的電池壽命。在系統級晶片、FPGA和微控制器(MCU)之類的運算密集型系統中,其目標在於最大化每瓦性能,同時著眼於最佳化系統效率。

在關鍵的車輛電氣設計中,直流(DC)電源管理是先進駕駛輔助系統(ADAS)設計人員不能輕忽的。PMIC解決方案可以實現DC電源保護、低靜態電流和降低電磁干擾(EMI),它能夠為車輛的能源管理提供一個舒適的環境。

在各種裝置中採用PMIC解決方案有助於這些平台有效利用能源,從而延長其使用壽命。隨著設計人員不斷尋求將先進的技術和功能導入產品中,對於PMIC的需求預計很快也會成長。


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挑戰

隨著微電子技術的發展和功耗要求不斷提高,電源管理的複雜性和重要性也與日俱增。穿戴式電子裝置就是一個很好的例子。採用能量採集技術和最新一代的超級電容器是達成有效解決方案的良好策略。

輕巧緊湊的穿戴式物聯網(IoT)裝置需要超小尺寸的電池。其設計重點一直是延長裝置的較短執行時間。為了在穿戴式IoT設計中有效地管理電壓匯流排,PMIC可以在必要時啟用和停用電源模組,從而提供很高的靈活度。PMIC可以從本質上讓穿戴式IoT裝置在兩次充電之間運行更長的時間。除了設計靈活度,PMIC還對電池提供保護、監測和控制功能。

電源管理系統將DC/DC電源轉換為三種不同的形式,它們在實體尺寸、靈活性和效率方面存在著差異。其中,線性穩壓器可以完全整合並提供電壓可擴展性,但效率不高;基於電容的開關穩壓器也可以完全整合且高效,但不支援電壓擴展;基於電感的開關穩壓器可以非常高效,也可以實現電壓可擴展性,但往往無法完全整合。

電源管理子系統的整體設計帶來了多種挑戰。設計人員必須考慮為供電及散熱設計提供足夠的物理空間。當使用自然對流電源時,電源附近必須有足夠的空間用於充份冷卻。如果設計使用強制風冷,則設計人員必須確保電源周圍有足夠的空間確保空氣流通。

「為大電流軌供電面臨散熱的挑戰,主要在於試圖保持元件的內部溫度(結溫)不超過規定的溫度範圍。」戴樂格半導體(Dialog Semiconductor)汽車業務部資深副總裁Tom Sandoval表示,「大電流意味著更高功耗和更多熱量產生。在特定的系統環境溫度下要求能提供大電流的元件,而又不超過所規定的結溫,這個設計極具挑戰性。」電路設計的整體效率對給定電流水準下產生的熱量有很大影響。

「此外,元件的封裝類型也會影響其於運行過程中產生的熱量。」Sandoval指出,「因此,需要在系統級利用各種技術來散熱,以確保元件在指定的結溫範圍內持續工作。」

設計通常會很困難而且容易產生問題,因此,設計人員需要對補償控制週期和特定電源管理IC的工作原理有充份的瞭解。利用設計導向的模擬工具可以加速和簡化PMIC解決方案的開發。

解決方案

在穿戴式裝置設計中採用具有微功率單電感多輸出(SIMO)降壓-升壓DC/DC變換器的PMIC,可有效延長電池壽命。透過利用整個電池電壓範圍,而且得益於每輸出都可進行降壓-升壓配置,這些轉換器可以產生高於、低於或等於輸入電壓的多個輸出電壓。利用每個輸出的可編程設計峰值電感電流等功能,設計人員可以實現效率、輸出紋波、EMI、PCB設計和負載能力之間的完美平衡。

美信(Maxim Integrated)的MAX77650和MAX77651 PMIC整合了150mA低壓差穩壓器(LDO),可以為雜訊敏感型應用提供紋波抑制功能。此外,SIMO控制方案中的控制器可確保所有輸出得到及時處理。

 

圖1:MAX77650功能方塊圖。

(來源:Maxim Integrated)

 

Maxim行動電源產品線總監Karthi Gopalan表示:「我們在穿戴式、聽戴式和低功耗IoT裝置領域的客戶正處在高階技術與美學的十字路口。隨著全球對人工智慧(AI)助理、即時生物徵象追蹤和精確位置追蹤的依賴性日益增強,這些市場將獲得巨大的動能。」

她補充說,Maxim的低功耗PMIC為這種空間受限的設計提供了「以最小外形尺寸實現最高系統效率」。「我們的PMIC可以將解決方案尺寸減小一半。這些節省下的板空間可用於添加一些加值模組,如語音命令、支付、GPS接收器、生物辨識、手勢控制、3D辨識和攝影機模組等。」

在汽車應用中,PMIC必須解決的三個主要挑戰是溫度、認證和安全性。汽車應用要求在-40℃至105℃ (至少)之間的環境溫度範圍內運行;因此,用於汽車平台的任何半導體元件都必須在更寬的溫度範圍內提供出色的性能。

Dialog Semiconductor的Sandoval表示:「汽車應用要求較高的品質水準,以確保在超過10年的使用期內故障率接近於零。這涉及到元件的設計、認證以及測試和篩選等方面,以確保在汽車的使用壽命內達到最高品質水準。」

在汽車應用中,保證安全性的許多要素都集中在故障的預防上。電源管理元件必須具有管理電氣故障的能力,並在發生故障時提供可行的解決方案。

Sandoval說,「元件設計中需要增加額外的電路以支援這種功能,但這會導致更高的複雜性和成本。」

Dialog的整合型DA913X-A可實現較低的系統物料成本(BOM)和較小的尺寸。其能效超過90%,從而可降低ADAS等系統中大電流軌供電的散熱設計難度。

DA913X-A系列包含三個元件,可配置為單輸出或雙輸出降壓轉換器。DA9130-A為單通道兩相降壓轉換器,可提供高達10A的輸出電流。DA9131-A整合了兩個單相降壓轉換器,每個轉換器可提供高達5A的輸出。DA9132-A也整合了兩個單相降壓變換器,每個轉換器可提供高達3A的電流。這三個元件均支援2.5~5.5V的輸入電壓範圍,輸出電壓範圍為0.3~1.9V,適用於各種低壓系統。這些元件還提供外部電阻分壓器,用於支援高於1.9V的輸出電壓。

 

圖2:DA913X-A功能方塊圖。

 

(參考原文:Designs from Automotive to Wearables Tap PMICs for Power Efficiency)

*本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年3月號

 

 

 

 

 

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