Power-Management-ICs dienen immer aktiven Wearables und IoT-Geräten

Viele Funktionen vereinen sich zu einem nützlichen tragbaren Gerät. Formfaktor, Design und Energieeffizienz sind unerlässlich, um Geräte zu realisieren, die nicht nur ihre Aufgabe richtig erfüllen, sondern auch komfortabel, attraktiv und benutzerfreundlich sind und neue Möglichkeiten zur Verbesserung unserer Produktivität, Gesundheit und unseres Lebensstils bieten. Das Ziel der Entwickler von Wearables und IoT-Geräten mit ständiger Betriebsbereitschaft ist es, die Akkulaufzeit zu verlängern und gleichzeitig den Formfaktor zu verkleinern, was mit winzigen, hochintegrierten Power-Management-ICs (PMICs) erreicht werden kann.

Die optische Erfassungsgenauigkeit bei Wearables ist ebenfalls ein großes Problem, das von einer Vielzahl technischer Faktoren beeinflusst wird, einschließlich der Wahl des PMIC. Ultra-Low-Power-PMICs integrieren eine Schaltungsarchitektur, die die Empfindlichkeit optischer Messungen für Gesundheitsanwendungen optimiert. Die neuen PMICs ermöglichen die höchste Empfindlichkeit für optische Sensoren in Formfaktoren, die am Handgelenk getragen werden, um beispielsweise genauere Vitalparametermessungen zu ermöglichen.

In den letzten Jahren ist die Zahl der im Umlauf befindlichen Wearable-Sensoren exponentiell gestiegen. Dies ist auf verschiedene Faktoren zurückzuführen, die von steigenden Gesundheitskosten bis hin zum Wachstum von „Gesundheitsfanatikern“ reichen – einem Lebensstil, der von Gesundheitsbesessenheit geprägt ist. Darüber hinaus haben Verbraucher dank des Internets heute einen einfachen und nahezu unbegrenzten Zugang zu Informationen über ihre Gesundheit. Das Design zuverlässiger Lösungen im tragbaren medizinischen Bereich erfordert eine zuverlässige Elektronik. Die von Geräten wie Hearables und Smartwatches geforderte hohe Funktionalität bringt einen höheren Energieverbrauch mit sich.

Der anhaltende Trend zu kleineren und dünneren Gehäusen wiederum erfordert eine neue Generation von integrierten Power-Management-Schaltungen, die das Laden erleichtern. Herkömmliche Batterien, die für Wearable-Technologie geeignet sind, wie Lithium-Ionen (Li-Ion)-Zellen, können für Sensoren und andere tragbare Geräte mit geringem Stromverbrauch geeignet sein, aber sie haben Schwierigkeiten, mit den höchsten tragbaren Anforderungen wie Sprache und Gestenerkennung, Überwachung und Wahrnehmung.

Das Design von gedruckten Leiterplatten (PCB) für tragbare Geräte erfordert viel Überlegung sowohl bei der Wahl der Materialien als auch bei einem korrekten Layout unter Einhaltung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit. Wearable PCBs erfordern eine viel genauere Impedanzkontrolle, die ein wesentliches Element des Layouts ist, was zu einer saubereren Signalausbreitung führt.

PMIC-Architektur

Eine typische tragbare Gerätearchitektur umfasst ein System-on-Chip (SoC), Speicher, Anzeige, Sensoren und Energieverwaltungsblöcke. Ein typisches Energieverwaltungssystem umfasst ein Ladegerät, verschiedene Abwärtswandler und Low-Dropout-Regler (LDOs) für die Bluetooth/Wi-Fi-Verbindung. Bei einer Smartwatch beispielsweise sind die Designherausforderungen im Wesentlichen das Verlustmanagement und die Batteriedimensionierung. All dies beinhaltet eine entsprechende Auswahl an PMIC-Geräten.

Die meisten Systeme erfordern ein Ladegerät und verschiedene Ausgänge, die für allgemeine Schaltungsfunktionen geregelt sind – zum Beispiel 3,3-V- und 1,2-V-Versorgungsbusse für den Mikrocontroller und Kommunikationsprotokolle.

Ein hochgradig konfigurierbarer, integrierter Linearlader im PMIC unterstützt eine breite Palette von Li-Ionen-Batterien und bietet eine Überwachung der Batterietemperatur für zusätzliche Sicherheit. Ein bidirektionales I ² Die C-Schnittstelle ermöglicht Designern die Konfiguration und Überwachung des Gerätestatus. Die Architektur eines PMIC umfasst auch einen Controller mit Überwachungsfunktionalität.

Am effizientesten sind Stromversorgungssysteme mit Abwärts- und Aufwärtswandlern. Lineare Regler mit niedriger Spannung und geringem Dropout werden für rauscharme Geräte bevorzugt, aber die Energieeffizienz kann ein kritischer Faktor sein. Ein optimales Versorgungssystem stellt die ausschließliche Verwendung von Schaltnetzteilen dar. Der Nachteil dieses Ansatzes besteht darin, dass jeder Schalter einen Induktor benötigt, wodurch der Platz auf der Leiterplatte und die Größe tragbarer Geräte erhöht werden.

Daher erfordert die Schaltung eine einzige Power-Management-Lösung, die verschiedene Power-Busse unter Verwendung einer Single-Input-Multiple-Output-(SIMO)-Architektur integriert. Durch die Bereitstellung mehrerer Ausgänge verlängert der SIMO-Ansatz zusammen mit dem niedrigen Standby-Strom des Controllers die Batterielebensdauer des tragbaren Designs. Regler liefern Energie mit minimalen Verlusten, und die Architektur eliminiert einige doppelte Komponenten und spart gleichzeitig Material.

Ein Beispiel ist der MAX20310 von Maxim Integrated, eine integrierte Power-Management-Schaltung, die zwei SIMO-Buck-Boost-Ausgänge mit zwei LDOs und anderen Power-Management-Funktionen wie einem Sequencing-Controller kombiniert. Die Linearregler können auch als Leistungsschalter fungieren, die die inaktive Last der Systemperipherie trennen können ( Abb. 1 ) um die Effizienz zu verbessern.

Abb 1:Ein Blockschaltbild des MAX20310. (Bild:Maxim Integrated)