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有效缩小穿戴式装置电源电路
效能新挑战

【作者: Mark Shepherd等人】2016年09月21日 星期三

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好几年以来,高密度电源系统设计的黄金标准都是由智慧型手机制定。其中存在着两方面需求的冲突,一方面是要求两次充电间的运作时间要很长;另一方面则要求包括电池在内的每个元件都要缩小。


在智慧型手机和平板中,设计师用来缩小电源电路的最有效方法就是整合,尽可能结合最多的电源系统功能区块,一起放进单一电源管理IC(PMIC)中。


现在该是承认这个黄金标准得交由穿戴式装置业者定义的时候了。在其中,对于功率密度的需求甚至比智慧型手机或平板电脑更大。就像是智慧型手机,智慧手表及运动手环等穿戴式装置都是可携式的运算装置,其包含多个感测器、发射器及围绕着处理器核心的多个使用者介面周边。


体积小 电池续航力却必须提高

然而它们的外观尺寸却是小了数倍,可容纳电池的空间小得吓人。然而,从消费者对于之前发表的智慧手表的反应来看,使用者非常在意电池的运用时间,且充电频率较智慧型手机或平板来得频繁。


于是,穿戴式装置的设计师就面对了缩小化的终极挑战。然而,吊诡的是,可穿戴式装置的设计人员过去并不愿意采用曾让OEM业者缴出良好表现的整合策略。


这也不是太让人惊讶,因为「穿戴式装置」的种类事实上涵盖非常多的装置型式,要定义一个可以同时满足多种不同装置的电源管理IC是很困难的,更何况穿戴式市场当时还处于初期发展阶段。


不过,到了现在,装置的架构已经越来越明显了,就是被设计戴在手腕上,例如智慧手表和运动手环,而这样的趋势会引出全新种类的「微型PMIC (microPMIC)」,可以针对穿戴式装置的功率密度提供解决之道。


传统PMIC市场发展

电源系统设计师在想到PMIC时,他们通常想到的就是庞大、高功率的装置,且会针对各家应用处理器业者,例如Qualcomm、Nvidia及Intel所生产的特定处理器系列进行最佳化。这些PMIC是各家处理器的理想搭配,能在小型封装中提供最适当的稳压输出组合,且能提供所需的散热途径及预期要供给的负载。


某些并非如此普及的处理器可能没有与之搭配的PMIC,但是如果设计师使用的处理器拥有PMIC的支援,而他还不采用,那这个设计师应该是疯了。


事实上,在智慧型手机和平板领域中,市场主流选择就只有一或两个处理器系列,如此庞大的市场规模就值得PMIC制造商开发处理器的专属元件。


在穿戴式装置市场中,处理器的选择并未独尊至相同的程度,所以功率半导体业者为穿戴式装置量身打造新的PMIC,是无法享有这种标准处理器规格所带来的好处。


所以,OEM设计人员应该期望能找到完全符合其需求的标准型PMIC吗?很明显,诉求广大穿戴式装置市场的PMIC并无法符合系统的全部需求;或者是需要增加离散式功率元件,而这又违背了采用PMIC的初衷;又或者它会包含一些不被用到的功能,这就增加了功耗、成本,以及PMIC的晶片尺寸,所提供的是一个并非最佳化的解决方案。


然而,如果处理器选择的多样性有碍于提供一个标准的PMIC,则或许能在其他地方找到通往电源要求标准化的路径吗?



图1 : 智慧手表的典型架构。有零件型号的功能区块是由ams提供的元件。
图1 : 智慧手表的典型架构。有零件型号的功能区块是由ams提供的元件。

图1为智慧手表设计的图示,关于微控制器,可以从采用ARM核心的多种标准装置中选择,但是对于许多智慧手表而言,系统的整体基础架构是相同的,这是因为它们所要满足的消费者期望都是相同的,像是生理及环​​境感测、位置资讯及使用者和通讯介面等。


所以,如果PMIC业者将此共同架构视为它们的标准,就可以首度针对穿戴式装置中的电源系统开发整合型解决方案,可以完全或几乎是完全满足许多OEM产品的电源需求。主处理器及Bluetooth和GPS发射器作用于1.8V供电:这通常是由降压型稳压器提供。


其他的功能区块需要3V供电,这些包括显示器以及心率监测器等感测器。此外,提供触觉反馈的无刷DC(BLDC)马达则需要它自己的隔离电源,用来提供功率脉冲。


传统的电源系统设计方法需要采用多种离散式电源IC:


‧独立型电池充电IC


‧提供1.8电源的降压型稳压器


‧BLDC马达的触觉反馈驱动器或线性稳压器(LDO)


‧3V输入的显示器或感测器所需的LDO


这种方法大大阻碍装置缩小化,它需要很大的板子面积来容纳这些元件本身,以及将这些元件和系统其余部分连结的线路。这甚至还没有考虑到电路板布局的一些潜在难题,包括电磁排放的管理、采用多个元件对于成本的冲击,以及使用多个离散元件会损及可靠性等。


相对来说,微型PMIC(microPMIC)就比较容易整合进这个设计中,并能提供较简单的板子布局。在图示中,这种方法可由AS3701所实现,这是ams针对穿戴式装置所生产的microPMIC。


这个元件针对图1中的系统型式进行最佳化,所节省的空间是相当可观的:AS3701的晶片级封装面积为4mm2,间距仅0.4mm。这个封装里面有功能完整、具有电源路径管理的的线性电池充电器;多个电源轨、保护功能、排序功能及连结MCU的I2C介面。


AS3701的占板面积能降低成本及减少空间使用。图2是针对图1的穿戴式装置所进行的电路板布局。少了AS3701内部的三颗球:这就提供了空间,让连结更为容易,不需使用衬垫通孔(Vias in Pad)。



图2 : 布局图示,显示被用于一般智慧手表设计中的AS3701
图2 : 布局图示,显示被用于一般智慧手表设计中的AS3701

所以,对于智慧手表的复杂电源需求而言,占板面积如此小的microPMIC能提供哪些好处?就AS3701A而言,多个电源轨包括两个200mA LDO、一个500mA降压型DC-DC转换器,以及两个40mA可程式电流流入(Current Sink)/通用型输入输出(GPIO)(请见图3)。如图1所示,不由AS3701A供电的一个电源轨是供电给AS7000的LED的5V输入,这个部分是由一个离散型升压转换器所提供。



图3 : AS3701A microPMIC包含多个电源区块及一个电池充电器
图3 : AS3701A microPMIC包含多个电源区块及一个电池充电器

这个同步降压转换器包括多个省电特性:动态电压调整,以及范围从1MHz至4MHz的可选频率,如此就能针对不同的负载水准进行效率最佳化。图4显示,当供电负载介于1mA和300mA之间时,能达到高效率,在这个装置的2mmx2mm封装中,各个功能区块可以达到许多成效。



图4 : AS3701的500mA DC-DC转换器的效率曲线
图4 : AS3701的500mA DC-DC转换器的效率曲线

当然,对于穿戴式装置的电源系统而言,功率密度和较长的电池运作时间是最重要的,系统设计人员要满足特定最低程度的效能规格,尤其是杂讯及散热部分。


GPS模组对于峰至峰(Peak-Peak)电压涟波杂讯特别敏感:它们所能容忍的一般最大程度是50mV。在此处,AS3701A的DC-DC转换器能提供广大的安全余裕,(请见图5)。



图5 : 来自AS3701A的DC-DC转换器的峰至峰输出电压涟波低于50mV,这是一般GPS模组所能容忍的最大值。此转换器以3.7V的供电电压、1.8V的输出电压、20mA的输出电流测试,在低杂讯模式以2MHz切换。输出涟波只有14.4mV。
图5 : 来自AS3701A的DC-DC转换器的峰至峰输出电压涟波低于50mV,这是一般GPS模组所能容忍的最大值。此转换器以3.7V的供电电压、1.8V的输出电压、20mA的输出电流测试,在低杂讯模式以2MHz切换。输出涟波只有14.4mV。

大部分由智慧手表的microPTIC所供电的负载都低于50mA;感测器倾向于汲取数十微安培的电流。这就意谓热负载很小,微小的MicroPMIC封装很容易就能处理。


最高峰值的电流是由触觉马达所汲取,它的启动电流可能高达100mA,但是会在启动后快速下降。初始的供电电压也必须够高,才能符合马达数据表中所列出的供电电压规格。


在AS3701中,这样的需求是由可程式化LDO所满足:使用者可从大范围的电压设定中选择。编程可透过I2C调整,以支援触觉马达开关所需的脉冲,并能动态修正输出电压以提供斜坡效应(ramp effect)和软振动(soft vibration)。


micro MIC方法的优点及妥协。


前文提到,如果有处理器的PC可以使用,而设计人员选择不用,则他一定是「疯了」,而设计人员不使用智慧手表的microPMIC,这是不是也一样是疯了?


当然,使用多个离散式功率元件似乎是无法实现较小的占板面积。假定图1充分代表智慧手表或运动手环的新设计,则像是AS3701这样的microPMIC几乎能完美搭配。


此外,还有一些其他优点也让设计师愿意选用microPMIC,其一是单一功率元件的组装较为容易。图6是GUI的萤幕截图,来自于AS3701的评估板。相当明显的,它很简单就能针对降压型稳压器和LDO编程不同的输出电压。这个GUI也能支援各种电池的供电排序和充电功能设定。透过I2C介面,所有的这些注册器(Register)都能在任何时间由微控制器覆盖(Overrideen),让设计人员能快速改变输出电压,或是将这个部分改换至待机模式。


因此,尽管有些使用者会本能地警惕想到,使用microPMIC可能会限制最佳化效能以符合应用需求的弹性,但是,就一个PMIC所提供的可程式化特性来看,的确是可以让每一个电源轨始终都能获得适当的供电,而且是由一个占板面积极小的整合型装置所供电。



图6 : 萤幕截图显示支援AS3701A microPTIC的设计工具
图6 : 萤幕截图显示支援AS3701A microPTIC的设计工具

概述

「穿戴式装置」涵盖的产品类型相当广泛,然而,最普及的就是穿戴在手腕上的类型,一般就是指智慧手表和运动手环。


智慧手表和运动手环的架构愈趋标准化,结合包括生理感测、无线连结及微控制器在内的各种功能区块。这就引出对于新标准整合型电源装置,或说是microPMIC的迫切需求,以提供感测器、发射器及处理器所需的不同电源输出。


在本文中,ams以AS3701为例,说明​​这类microPMIC取代传统的智慧手表电源系统设计的好处,使用者能大幅节省占板面积,大幅提升其设计的功率密度。


文章也说明了使用microPMIC的其他好处,包括节省组装成本、更简单的板子布局,以及设计和编程工具的支援等。 (本文作者为Mark Shepherd、Thomas Kail、Stephan Kreszl)


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