【導讀】隨(sui)著(zhe)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)革(ge)新(xin)的(de)持(chi)續(xu)推(tui)進(jin)，對(dui)穩(wen)健(jian)電(dian)源(yuan)架(jia)構(gou)的(de)需(xu)求(qiu)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)。在(zai)過(guo)去(qu)十(shi)年(nian)中(zhong)，我(wo)們(men)看(kan)到(dao)可(ke)穿(chuan)戴(dai)健(jian)康(kang)監(jian)測(ce)設(she)備(bei)大(da)幅(fu)增(zeng)長(chang)，這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)的(de)下(xia)一(yi)代(dai)可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)小(xiao)尺(chi)寸(cun)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)。可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)通(tong)常(chang)要(yao)求(qiu)支(zhi)持(chi)Wi-Fi
、藍牙®並具備生命體征監測(VSM)功能。對更多功能的需求，要求係統級和IC級設計人員更明智地選擇可穿戴設備電源架構。

摘要

本文將介紹模擬真無線立體聲(TWS)耳機應用電源架構的參考設計。它能將應用的快速充電速度提高近4倍，同時優化解決方案尺寸和係統BOM成本。使用熱敏電阻和熱成像測量得出的測試結果顯示，與傳統解決方案相比溫度更低。該設計展示了采用單電感、多輸出(SIMO)架構且具有自動裕量跟蹤功能的解決方案所提供的眾多優勢。

引言

隨(sui)著(zhe)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)革(ge)新(xin)的(de)持(chi)續(xu)推(tui)進(jin)
，對(dui)穩(wen)健(jian)電(dian)源(yuan)架(jia)構(gou)的(de)需(xu)求(qiu)不(bu)斷(duan)增(zeng)加(jia)。在(zai)過(guo)去(qu)十(shi)年(nian)中(zhong)，我(wo)們(men)看(kan)到(dao)可(ke)穿(chuan)戴(dai)健(jian)康(kang)監(jian)測(ce)設(she)備(bei)大(da)幅(fu)增(zeng)長(chang)，這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)的(de)下(xia)一(yi)代(dai)可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)小(xiao)尺(chi)寸(cun)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)中(zhong)集(ji)成(cheng)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)。可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)通(tong)常(chang)要(yao)求(qiu)支(zhi)持(chi)Wi-Fi、藍牙®並具備生命體征監測(VSM)功能。對更多功能的需求，要求係統級和IC級設計人員更明智地選擇可穿戴設備電源架構。

無線耳機的電源挑戰

真無線立體聲耳機應用目前需要將多個獨立的穩壓器放到一個小尺寸解決方案中——畢竟
，整個係統需要放入我們的口袋中！

TWS耳機應用的典型電源係統如圖1a所示。充電座和耳機之間的DC-DC轉換器用於將電壓從VSYS提升至5 V USB電dian平ping。這zhe樣yang可ke以yi為wei耳er機ji的de線xian性xing充chong電dian器qi提ti供gong足zu夠gou的de裕yu量liang，避bi免mian出chu現xian電dian壓ya下xia降jiang的de情qing況kuang。然ran而er，該gai解jie決jue方fang案an有you一yi個ge缺que點dian，那na就jiu是shi由you於yu耳er機ji線xian性xing充chong電dianFET上shang的de壓ya差cha和he損sun耗hao，效xiao率lv損sun失shi很hen大da。當dang耳er機ji電dian池chi電dian量liang較jiao低di時shi，尤you其qi明ming顯xian。低di效xiao率lv充chong電dian會hui增zeng加jia發fa熱re量liang，導dao致zhi係xi統tong電dian池chi壽shou命ming縮suo短duan和he產chan品pin可ke靠kao性xing降jiang低di。

在某些情況下（圖1b）

，增加電力線通信(PLC)，並借助充電座側的降壓-升壓調節器跟蹤線性充電器的裕量，可以提高係統效率。

然而

，可穿戴產品的解決方案尺寸非常寶貴。為可穿戴設備的外設供電的降壓輸出所需的PLC芯片和電感，會直接影響這兩種傳統解決方案的產品尺寸和成本。

更好的解決方案：SIMO架構和自動裕量跟蹤

SIMO電源管理IC (PMIC)tigonglemanzujincoushejiyaoqiusuoxudejiagouhexiaolv。dianchigongdiandekechuandaiyingyonghainengshouyiyuyizhongchengweizidongyulianggenzongdejishu，takeyichongfenjianshaodianchichongdiandianlushangdeyajiang，tongshitigongyouhuayulianglaitiaojiechongdiandianliu。zhejiujianshaolechongdiandianluzhongdegonglvsunhaohefareliang
，erwuxuewaideyuanqijian，kechuandaishebeizaichongdianshikeyibaochijiaodiwendu，shenzhikeyigengkuaisudichongdian。

圖1a.TWS耳機應用的典型電源架構圖

圖1b.帶PLC的TWS耳機應用的典型電源架構圖

MAX77659是一款SIMO PMIC
，旨在提高可穿戴消費和醫療設備的效率，並縮減係統板上空間和BOM尺寸。該PMIC具有三個使用同一電感的降壓-升壓輸出，效率高達90%。它還包含一個額外的低壓差(LDO)穩壓器，適用於需要高電源電壓抑製比(PSRR)的敏感應用，例如VSM。此外，SIMO架構在效率方麵具有內在優勢，並且其靜態電流非常低，解決方案尺寸極小。

圖2.針對典型鋰離子電池充電周期的自動裕量跟蹤

圖3.參考設計框圖，比較了TWS耳機的建議解決方案和傳統解決方案

MAX77659的自動裕量跟蹤功能使用SIMOshuchuzhiyilaichongfenjianshaodianchichongdianjingtiguanshangdeyajiang，tongshitigongyouhuayulianglaitiaojiechongdiandianliu。qijieguoshijingtiguanshangdegonglvsunhaohefareliangjianshao
，suoyouzhexiedoubuxuyaoewaideyuanqijian。tu2顯示了對整個快速充電過程中的自動裕量跟蹤。

MAX77659參考設計

圖3所示的參考設計將MAX77659 SIMO PMIC解決方案與典型的線性充電解決方案進行了比較。MAX77659 SIMO PMIC具有自動裕量跟蹤功能，因此可以省去傳統解決方案（圖3，充電座B）中使用的降壓-升壓穩壓器（圖3，充電座A）。它提高了充電效率


，延長了整個係統的電池壽命，並且減小了解決方案尺寸，降低了BOM成本。

圖4.MAXREFDES1323參考設計板

圖4顯示了MAX77659參考設計的完整PCB。該設計包括兩對充電座/耳機解決方案
，其中一對采用MAX77659 SIMO PMIC設計（充電座/耳機A），另一對采用典型的線性充電器設計（充電座/耳機B）
，使用MAX77734線性充電器。基板上的按鈕可切換A和B分支的充電，OLED顯示屏顯示耳機的MAX17260電量計測得的充電電流和溫度。屏幕還顯示充電器狀態，以及充電器何時因過熱必須降低充電電流。

電池管理係統充電標準

日本電子和信息技術工業協會(JEITA)發(fa)布(bu)了(le)與(yu)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)相(xiang)關(guan)的(de)標(biao)準(zhun)，這(zhe)些(xie)標(biao)準(zhun)提(ti)供(gong)了(le)嚴(yan)格(ge)而(er)穩(wen)健(jian)的(de)方(fang)法(fa)，通(tong)過(guo)減(jian)少(shao)係(xi)統(tong)和(he)電(dian)池(chi)磨(mo)損(sun)來(lai)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)安(an)全(quan)性(xing)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)，為(wei)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)保(bao)障(zhang)。終(zhong)端(duan)應(ying)用(yong)通(tong)常(chang)利(li)用(yong)集(ji)成(cheng)的(de)JEITA保護功能
，在電池充電的恒流(CC)和恒壓(CV)階(jie)段(duan)降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)水(shui)平(ping)。如(ru)果(guo)係(xi)統(tong)變(bian)得(de)太(tai)熱(re)，可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)和(he)電(dian)壓(ya)，以(yi)使(shi)電(dian)路(lu)降(jiang)溫(wen)。對(dui)電(dian)流(liu)的(de)這(zhe)種(zhong)限(xian)製(zhi)可(ke)以(yi)保(bao)護(hu)最(zui)終(zhong)用(yong)戶(hu)，使(shi)其(qi)不(bu)會(hui)感(gan)到(dao)不(bu)適(shi)
，並(bing)保(bao)持(chi)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)。遺(yi)憾(han)的(de)是(shi)，限(xian)製(zhi)充(chong)電(dian)電(dian)流(liu)也(ye)意(yi)味(wei)著(zhe)充(chong)電(dian)周(zhou)期(qi)變(bian)慢(man)。集(ji)成(cheng)JEITAgongnengdexuqiudaibiaoleyizhongshejiquanheng
，zhegeikechuandaishebeishejidailaileyali。changshijianjieshougaochongdiandianliuyenengbaochijiaohaorexingnengdejiejuefangankeyihuanjiezhezhongyali。

性能比較

為了檢驗傳統解決方案和建議解決方案的熱性能，我們在270 mA CHG_CC（正常CC電流）和75 mA JEITA_CC（高於JEITA_WARM溫度閾值的CC電流）下進行了1分鍾充電測試。目標是顯示這段時間內的熱差異，並檢查兩種解決方案是否可以在不觸發JEITA保護的情況下保持較高充電速度。為了提供可重複性
，並將溫升限製為僅IC所經曆的溫升
，我們使用了電池仿真器。該測試使用的熱閾值為45°C，比環境溫度高21°C。參考設計的PCB是6層板

，銅厚度分別為0.0014英寸、0.0007英寸
、0.0007英寸、0.0007英寸
、0.0007英寸和0.0014英寸。測試條件如表1所示
，結果如表2所示。

表1.JEITA充電測試條件

表2.JEITA充電測試結果

在測試過程中，MAX77659 SIMO解決方案在1分鍾內升溫11.1°C
，並且在前30秒後其升溫速度明顯減慢。所提出的解決方案在測試過程中的任何時候都沒有進入JEITA模式。采用典型線性充電解決方案時，器件在短短15秒內升溫近20°C，並觸發JEITA保護，在僅30秒內就限製了充電電流。

熱成像結果

此外，為了在未啟用JEITA保護的情況下檢查熱行為，我們進行了單獨的測試，並使用熱像儀來測量SIMO PMIC解決方案和線性充電器解決方案的溫度。參數與第一次測試相同
，隻不過禁用了JEITA保護。

圖5.並排充電器解決方案的熱成像

在2分鍾的測試過程中，線性解決方案的溫度升至58.1°C，而SIMO PMIC僅升至37.5°C。基於這些結果可知
，與線性充電解決方案相比，SIMO解決方案能夠將溫升降低約72%。

結論

本文在模擬TWS耳塞應用中，將MAX77659 SIMO PMIC與傳統線性充電解決方案進行了比較，展示了自動裕量跟蹤和開關充電器解決方案的優勢。結果表明，SIMO PMIC解決方案在熱方麵實現了巨大改進（熱量減少72%），能夠安全地維持幾乎是傳統線性充電解決方案4倍的充電電流。這有助於係統快速充電，同時保持低溫和舒適性
，從而解決可穿戴設備的關鍵難點。

MAX77659 SIMO PMIC為下一代可穿戴設備提供安全、可靠、舒適的充電解決方案
，同時提高了效率，減少了必要的解決方案尺寸和係統BOM數量。如需了解更多信息

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(來源：ADI公司
，作者：Brandon Hurst
，現場應用工程師)

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