Высокопроизводительные PMIC обеспечивают питание always-on носимых и IoT устройств

Проектирование носимого, которое остаётся в движении, требует сочетания компактной формы, элегантной эстетики и, что наиболее критично, энергоэффективности. Для удовлетворения этих требований инженеры фокусируются на крошечных, высокоинтегрированных микросхемах управления питанием (PMIC), которые продлевают жизнь батареи, сохраняя устройство лёгким и комфортным. Эти IC обеспечивают непрерывную операцию, плавный сбор данных и надёжную связь — ключевое для носимых, отслеживающих метрики здоровья или подключённых к Интернету вещей (IoT).

Точность оптического сенсирования, краеугольный камень многих медицинских носимых, сильно зависит от базовой энергетической архитектуры. Ультра-низкопотребляющие PMIC спроектированы для минимизации шума и оптимизации регулирования напряжения, тем самым повышая чувствительность фотоплеттизмографии (PPG) и других оптических измерений. В форм-факторе на запястье это переводится в более точные показания жизненно важных параметров даже при движении или меняющихся условиях окружающего света.

За прошедшее десятилетие количество носимых сенсоров взлетело, подталкиваемое растущими затратами на здравоохранение, ростом «здоровьяков» и распространением онлайн-здоровья. По мере роста потребительских ожиданий мгновенных, действенных инсайтов растёт и потребность в надёжной электронике, способной поддерживать более высокие энергозатраты — особенно для продвинутых функций вроде распознавания речи, жестового управления и непрерывного мониторинга.

Традиционные литий-ионные (Li-ion) элементы всё ещё служат низкоэнергетическим носимым, но они борются с потребностью в плотности мощности, требуемой высокопроизводительными устройствами. Индустрия поэтому движется к более мелким, тонким корпусам и следующему поколению интегрированных схем управления питанием, поддерживающих быструю зарядку, эффективную конвертацию напряжения и комплексный мониторинг безопасности.

PCB-дизайн для носимых должен балансировать выбор материалов с требованиями электромагнитной совместимости (EMC). Жёсткий контроль импеданса и тщательная маршрутизация трасс необходимы для чистого распространения сигналов, снижения интерференций и поддержания общей целостности устройства.

Архитектура PMIC

Типичная архитектура носимого интегрирует system-on-chip (SoC), память, дисплей, сенсоры и блоки управления питанием. Энергетическая система обычно включает зарядку, buck-конвертеры и низковольтные стабилизаторы (LDO) для питания Bluetooth или Wi‑Fi модулей. Ключевые вызовы дизайна включают тепловое рассеивание и размер батареи, оба зависящие от выбора правильного PMIC.

Большинство систем требуют зарядку и множественные регулируемые выходы — например, 3.3-В и 1.2-В шины питания для микроконтроллера и коммуникационных интерфейсов. Высококонфигурируемая линейная нагрузка внутри PMIC поддерживает широкий спектр химий Li-ion и включает мониторинг температуры батареи для дополнительной безопасности. Двунаправленный I²C интерфейс позволяет дизайнерам конфигурировать и мониторить статус устройства, в то время как интегрированный супервизор обеспечивает надёжную операцию.

Коммутирующие регуляторы (buck и boost) дают наивысшую эффективность, в то время как низковольтные LDO предпочтительны для низкошумящих приложений. Оптимальная цепочка поставок часто опирается исключительно на коммутирующие источники, но каждый свитч требует катушку индуктивности, что может раздуть площадь PCB и толщину устройства.

Для примирения этих ограничений многие дизайны принимают архитектуру single-input, multiple-output (SIMO), консолидирующую несколько шины питания в один IC. SIMO PMIC обеспечивают множественные регулируемые рельсы, сохраняя ток ожидания низким, продлевая жизнь батареи и сокращая BOM за счёт устранения избыточных компонентов.

Например, MAX20310 от Maxim Integrated интегрирует два SIMO buck-boost выхода, два LDO и контроллер последовательности. Его линейные регуляторы могут удваиваться как переключатели питания, отключая неактивные периферийные устройства для повышения общей эффективности (см. Рис. 1).

Рис 1: Блок-схема MAX20310. (Изображение: Maxim Integrated)