【導讀】我們生活在一個被電子設備包裹的時代，這些設備使我們的學習、工作、鍛煉、lvxinghejiaoliudengbiandefeichangfangbian
，youqishikechuandaishebeizhengzaichengweirenmenrichangshenghuozhongbukehuoquedeyibufen。zaiyiliaoyingyongzhong，kechuandaishebeikeyongyujiancexinlv
、血壓、血氧水平、運動中燃燒的卡路裏
、睡眠跟蹤等。為了提供更好的用戶體驗
，高性能

、xiaochicunhedigonghaoshizhexiekechuandaishebeideguanjianzhibiao。dangran，yaoxiangquanbushixianzhexiemubiaotongchangxuyaozaidianlushejizhongjinxingyixiequanheng
，biruweilemanzutedingdegonghaomubiao，shejizhejiubixuzengjiashebeidechicun。name，youmeiyoubanfakeyizaibuzengjiazhexiedianchigongdianshebeichicundeqingkuangxiayounengyouxiaoyanchangdianchishoumingne？

來源：drazenzigic/freepik.com

答案當然是肯定的。首先，電子元器件的小型化、低功耗、高性能發展趨勢非常有利於可穿戴設備的小尺寸設計需求。其次
，快速充電以及先進的電源管理IC（PMIC）技術在可穿戴設備中獲得廣泛應用。近些年
，隨著SIMO PMIC技術的日趨完善，可穿戴設備的電源設計變得更加容易。

可穿戴設備中的電源管理

根據Mordor Intelligence的分析，2020年，可穿戴技術的市場價值約為279.1億美元
，預計到2026年將達到740.3億美元，在預測期（2021至2026年），複合年增長率（CAGR）將達到17.65%。尤其是MEMS傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)出(chu)現(xian)，進(jin)一(yi)步(bu)加(jia)速(su)了(le)可(ke)穿(chuan)戴(dai)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)。比(bi)如(ru)，將(jiang)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)集(ji)成(cheng)到(dao)一(yi)個(ge)專(zhuan)用(yong)的(de)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)中(zhong)
，人(ren)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)隨(sui)時(shi)隨(sui)地(di)的(de)利(li)用(yong)可(ke)穿(chuan)戴(dai)健(jian)身(shen)追(zhui)蹤(zong)係(xi)統(tong)監(jian)測(ce)身(shen)體(ti)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)。據(ju)思(si)科(ke)公(gong)司(si)（Cisco）的數據，全球連接的可穿戴設備數量有望從2018年的5.93億台增至2022年的11.05億台。

來自Grand view Research的市場預測數據更加樂觀，他們的分析師認為，2020年全球可穿戴技術的市場規模達到了406.5億美元，預計從2021年到2028年將以13.8%的複合年增長率（CAGR）增長。

促使市場快速發展的主要因素來自兩個方麵：

●  一是物聯網（IoT）等技術的進步催生大量的互聯設備，這些設備的受歡迎度正在迅速上升

；

●  二er是shi慢man性xing病bing和he肥fei胖pang症zheng的de發fa生sheng率lv不bu斷duan攀pan升sheng，促cu使shi人ren們men采cai用yong可ke穿chuan戴dai產chan品pin，如ru活huo動dong跟gen蹤zong器qi和he身shen體ti監jian測ce器qi，用yong於yu監jian測ce用yong戶hu整zheng體ti健jian康kang狀zhuang況kuang並bing提ti供gong實shi時shi數shu據ju。

這些可穿戴設備還能提供與日常事件和生理數據有關的信息，如睡眠質量、心率
、血氧水平、血壓、膽固醇水平和燃燒的卡路裏等。

可穿戴設備通常由微控製器

、存儲器、通信、顯示器

、傳感器和電源管理等模塊構成。其中的微控製器
、顯示器和傳感器可能有不同的電壓要求，許多外圍設備如通信IC和傳感器大多數時間是處在休眠模式，隻有在需要時才會通電，因此
，在可穿戴設備內部通常需要多個電壓軌。

根gen據ju設she計ji需xu求qiu，微wei控kong製zhi器qi自zi始shi至zhi終zhong都dou處chu於yu工gong作zuo狀zhuang態tai，堪kan稱cheng可ke穿chuan戴dai設she備bei的de功gong耗hao大da戶hu

，並bing且qie性xing能neng和he所suo用yong功gong率lv之zhi間jian存cun在zai明ming顯xian的de相xiang關guan性xing，其qi電dian流liu消xiao耗hao約yue為wei40μA/MHz左右。基於尺寸、性能及功耗的考慮，可穿戴設備在設計過程中必須對電源管理給予足夠的重視。目前，可穿戴設備的電源管理通常都是基於PMIC，且具備充電、DC-DC轉換器和調節器等功能。基於對可穿戴市場的良好預期，PMIC也必將是一個潛力無限的市場。

圖1：可穿戴設備的典型係統架構

（圖源：Renesas）

IC Insights在其2022年第一季度的McClean報告中提到，新冠疫情致使全球經濟出現衰退
，然而2021年全球半導體市場的銷售額卻史無前例地飆升了30%
，達到741億美元的曆史新高。強勁的需求以及供應鏈中斷導致去年的模擬IC平均售價上漲了6%，

預計2022年模擬IC市場又將是一個雙位數增長年。除去放大器和比較器，電源管理IC（PMIC）預計將在2022年成為第二大模擬細分市場
，相比上一年度增幅達到12%
，其中5G和消費電子市場的需求是市場增長的主要驅動力。

圖2：PMIC預計將在2022年度實現12%的增幅

（圖源：IC Insights）

Yole的分析師們在其發布的分析報告中指出

，預計到2026年
，電源IC市場總額將超過255億美元，2020年至2026年複合年增長率為3%。當然，並非所有的電源IC市場都以相同的速度增長
，汽車行業將是所有行業中增幅最大的，移動和消費市場雖然增幅低於均值，但體量最大，超過了100億美元，在整個功率IC市場中占比超過40%。

圖3：2020年到2026年電源IC市場將以3%的幅度增長，移動和消費應用市場占比最大

（圖源：Yole）

huatizhongxinhuidaokechuandaishebeidedianyuanguanli。zhongsuozhouzhi，zaikechuandaiyiliaoshebeikaifazhichu，dianyuanguanlibixubeishiweiyixianggaojizhanlve。suirandaduoshuxiandaiweikongzhiqideshejidoukaolvdaoledigonghaoyingyong，dankaifagaoxiaodedianyuanguanlifanganduiyuzuidaxiandudijiangdigonghaoheyanchangdianchishoumingrengshizhiguanzhongyaode。yexuhenduorenhuishuo，dianchishoumingtongyangshikechuandaishebeizhongdeyigeguanjianwenti
，shensishulvdedianchiguihuaduiyukechuandaishebeiyouqishikechuandaiyiliaoshebeidechenggongzhiguanzhongyao。zonghelaikan，xuanzeheshidedianchiheshishishidangdedianyuanguanlishishejikechuandaishebeidezhuyaotiaozhan。

以智能手表或健身帶等小型可穿戴設備為例
，它們通常隻能容納電壓為3.8V、容量為130mAh至410mAh的單電池鋰離子電池，其電池管理和充電係統必須在設備運行以及充電時隨時密切監測電流
、電壓和溫度的變化。理想的電源管理解決方案需要確保係統消耗盡可能少的電力，並盡可能快速
、安全的完成充電。

Texas Instruments（TI）的TPS65070是一款帶有電池充電器、三個降壓轉換器和兩個LDO的芯片，專門用於便攜式應用的單芯片電源管理。設備充電時可由插腳上的USB端口供電，也可由連接到插腳AC的牆壁適配器的直流電壓供電。三個高效的2.25MHz降壓轉換器旨在為處理器
、存儲器和I/O進行供電。降壓轉換器在輕負載下進入低功率模式
，以在盡可能寬的負載電流範圍內實現最大效率。

由STMicroelectronics開發的STMP30同樣是一款可有效改善便攜式設備電池運行時間的電源管理芯片。這款產品的輸入電壓範圍為2.9V至4.8V
，包括三個集成DC/DC轉換器
，以提供智能手機以及其他便攜式設備中AMOLED顯示器所需的所有電源軌。

與其他將VOUT1固定在4.6V的設備不同，550mA VOUT1升壓轉換器提供可調節的輸出電壓，電壓可以設置在4.6V和5.0V之間
，增量為100mV
，能有效優化顯示器亮度
，使其在任何條件下都具有最低的功耗和最佳的可視性。其餘兩個輸出550mA單相降壓-升壓逆變轉換器提供
，可編程範圍為-0.8V至-6.6V
，以及5.5V至7.9V、150mA，輸出電壓通過外部引腳使用單線（S-Wire）協議編程。

SIMO PMIC：小型高效電源設計解決方案

輕qing便bian緊jin湊cou的de可ke穿chuan戴dai設she備bei通tong常chang使shi用yong微wei型xing電dian池chi。盡jin管guan電dian池chi的de容rong量liang在zai過guo去qu十shi年nian中zhong有you所suo增zeng加jia，但dan儲chu存cun的de電dian量liang在zai有you限xian的de時shi間jian內nei很hen快kuai就jiu會hui耗hao盡jin。永yong久jiu可ke穿chuan戴dai和he物wu聯lian網wang（IoT）設備的設計者的目標是延長電池運行時間
，同時縮小外形尺寸。而小尺寸
、高度集成的電源管理IC（PMIC）是實現這一目標的優選方案。

PMIC是shi一yi種zhong高gao度du集ji成cheng的de電dian源yuan產chan品pin
，它ta將jiang傳chuan統tong的de多duo輸shu出chu電dian源yuan封feng裝zhuang在zai單dan個ge芯xin片pian中zhong，從cong而er以yi較jiao小xiao的de體ti積ji在zai多duo個ge電dian源yuan應ying用yong場chang景jing尤you其qi是shi由you電dian池chi供gong電dian的de設she備bei中zhong實shi現xian高gao效xiao率lv，它ta不bu僅jin優you化hua了le設she備bei的de內nei部bu布bu局ju，還hai最zui大da化hua了le能neng效xiao

，有you效xiao延yan長chang了le電dian池chi的de壽shou命ming。

直流-直流（DC-DC）轉換器是電子產品中最常用的PMIC
，近年來由於其高轉換效率而成為市場的主力軍。根據工作模式和儲能元件的不同
，DC-DC變換器可分為線性穩壓器（LDO）、電感降壓/升壓（buck/boost）開關DC-DC穩壓器和電容開關DC-DC穩壓器。DC-DC轉換器的三種不同架構在物理尺寸、靈活性和效率方麵是有差異的，其中：LDO可以完全集成，具有良好的電壓可擴展性

，但效率不高
；電容式開關穩壓器（也稱為電荷泵）可完全集成，效率高，但電壓可擴展性差；電感式開關穩壓器非常高效且電壓可調，但缺點是不能完全集成。因此，現階段可穿戴設備大多選擇線性LDO和電感開關穩壓器（Buck/Boost）
，兩者都可以提供設計所需的靈活電源管理。

在可穿戴設備的設計中，是選擇線性LDO還是電感降壓/升sheng壓ya拓tuo撲pu需xu要yao一yi定ding的de權quan衡heng。在zai傳chuan統tong的de電dian感gan開kai關guan穩wen壓ya器qi結jie構gou中zhong，每mei個ge輸shu出chu都dou需xu要yao一yi個ge獨du立li的de電dian感gan
，這zhe些xie電dian感gan通tong常chang笨ben重zhong且qie昂ang貴gui，非fei常chang不bu利li於yu實shi現xian設she備bei的de小xiao型xing化hua。為wei了le減jian小xiao尺chi寸cun
，人ren們men經jing常chang會hui選xuan擇ze緊jin湊cou
、低噪聲的LDO

，但LDO的損耗又比較大。問題又來了

，設計師該如何在二者之中做出權衡，有沒有兩全其美的方案呢
？

答案是：單電感多輸出（SIMO）穩壓器可以解決這個難題，它能夠同時解決尺寸和能效等問題。

基於SIMO架構的PMIC使用單個電感器作為能量存儲元件，以支持多個獨立的DC輸出。與傳統的電感式DC-DC開關穩壓器相比，SIMO架構PMIC通過單個電感器提供多個輸出
，將原本需要多個分立組件的功能集成到更小的封裝中
，節省了空間
，同時仍保持了高效率。

#01 ADI MAX77659

ADI的MAX77659是一款帶有集成開關模式降壓-升壓充電器的單電感多輸出（SIMO）PMIC，充電僅需10分鍾即可提供超過4個小時的供電時間
，並使用單電感為多條電源軌供電，將材料清單（BoM）減少60%
，總解決方案尺寸縮小50%。與目前其他的PMIC相比，它可以非常方便地用於可穿戴設備和物聯網設備，而且空間更小。MAX77659集成了一個開關模式降壓升壓充電器和三個獨立可編程降壓升壓穩壓器，共享一個電感器。調節器在中到重負載條件下以91%的效率運行，而在輕負載條件下僅消耗5.0μA的靜態電流，延長了電池壽命。

在SIMO PMIC上，ADI有著廣泛的產品組合，如MAX77640/MAX77641和MAX77680/MAX77681，它們將電源管理電路的尺寸縮小了近一半，並廣泛支持可穿戴設備、智能家居等空間受限的應用。

圖4：MAX77659工作方框圖

（圖源：ADI）

#02 TI TPS65135

TI雙電源轉換器TPS65135具有單電感器和多輸出（SIMO）拓撲，很少使用外部組件，通過降壓/升壓拓撲，產生高於或低於輸入電源電壓的正和負輸出電壓。源於SIMO拓撲，TPS65135具有良好的線路瞬態調節。該產品可用於從2.5V至5.5V的輸入電源電壓產生分流軌電源，並針對單電池鋰離子電池的3.3V軌進行了優化。TPS65135在降壓-升壓拓撲中工作，僅使用2.2µH電感器產生正負輸出電壓。當輸出電流失配達到50%或更低時，它可以通過降壓升壓產生高達6V的正輸出電壓和低至-7V的負電壓（即輸入電源電壓可能高於或低於正輸出電壓）。兩個輸出都由EN引腳控製，即兩個輸出在高邏輯電平下啟用，在低邏輯電平下禁用。當輸入電源電壓過低，無法正常工作時，集成的UVLO功能將禁用設備。

圖5：TPS65135係統框圖

（圖源：TI）

後記

根據Statista的數據，預計到2022年全球可穿戴技術支出將達到900億美元，並且會隨著時間的推移而不斷增加。薄、小、輕qing是shi可ke穿chuan戴dai設she備bei的de物wu理li要yao求qiu，也ye是shi當dang今jin可ke穿chuan戴dai技ji術shu限xian製zhi電dian池chi壽shou命ming的de主zhu要yao原yuan因yin。傳chuan統tong電dian池chi
，如ru鋰li離li子zi硬ying幣bi電dian池chi，可ke能neng適shi用yong於yu傳chuan感gan器qi和he其qi他ta低di功gong耗hao可ke穿chuan戴dai設she備bei，但dan它ta們men難nan以yi滿man足zu健jian身shen帶dai和he智zhi能neng手shou表biao等deng功gong能neng更geng強qiang的de可ke穿chuan戴dai設she備bei的de需xu求qiu。延yan長chang電dian池chi壽shou命ming對dui於yu此ci類lei設she備bei獲huo得de市shi場chang認ren可ke至zhi關guan重zhong要yao
，沒mei有you人ren希xi望wang智zhi能neng穿chuan戴dai設she備bei的de電dian池chi在zai幾ji個ge小xiao時shi內nei用yong完wan。然ran而er，電dian池chi複fu雜za的de內nei部bu結jie構gou將jiang大da大da增zeng加jia設she備bei的de尺chi寸cun和he成cheng本ben，使shi人ren們men不bu方fang便bian佩pei戴dai。為wei了le使shi可ke穿chuan戴dai設she備bei能neng夠gou長chang時shi間jian運yun行xing
，能neng量liang采cai集ji、電池管理、電源管理和低功耗解決方案都是延長可穿戴設備電池壽命的有效措施。

很(hen)明(ming)顯(xian)，在(zai)開(kai)發(fa)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)時(shi)，電(dian)池(chi)選(xuan)擇(ze)和(he)功(gong)耗(hao)管(guan)理(li)是(shi)設(she)備(bei)整(zheng)體(ti)成(cheng)功(gong)的(de)關(guan)鍵(jian)。工(gong)程(cheng)和(he)設(she)計(ji)團(tuan)隊(dui)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)仔(zai)細(xi)平(ping)衡(heng)每(mei)個(ge)設(she)備(bei)中(zhong)的(de)變(bian)量(liang)，以(yi)滿(man)足(zu)所(suo)有(you)要(yao)求(qiu)，並(bing)根(gen)據(ju)所(suo)選(xuan)電(dian)池(chi)提(ti)供(gong)有(you)限(xian)的(de)功(gong)率(lv)。SIMO PMIC解決方案不僅提高了器件的能效，而且由於其高度集成
，大大減小了電路板的尺寸。它是電池供電設備電源管理的理想解決方案。

來源：Mouser

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