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有效縮小穿戴式裝置電源電路
效能新挑戰

【作者: Mark Shepherd等人】   2016年09月21日 星期三

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好幾年以來,高密度電源系統設計的黃金標準都是由智慧型手機制定。其中存在著兩方面需求的衝突,一方面是要求兩次充電間的運作時間要很長;另一方面則要求包括電池在內的每個元件都要縮小。


在智慧型手機和平板中,設計師用來縮小電源電路的最有效方法就是整合,儘可能結合最多的電源系統功能區塊,一起放進單一電源管理IC(PMIC)中。


現在該是承認這個黃金標準得交由穿戴式裝置業者定義的時候了。在其中,對於功率密度的需求甚至比智慧型手機或平板電腦更大。就像是智慧型手機,智慧手錶及運動手環等穿戴式裝置都是可攜式的運算裝置,其包含多個感測器、發射器及圍繞著處理器核心的多個使用者介面周邊。


體積小 電池續航力卻必須提高

然而它們的外觀尺寸卻是小了數倍,可容納電池的空間小得嚇人。然而,從消費者對於之前發表的智慧手錶的反應來看,使用者非常在意電池的運用時間,且充電頻率較智慧型手機或平板來得頻繁。


於是,穿戴式裝置的設計師就面對了縮小化的終極挑戰。然而,弔詭的是,可穿戴式裝置的設計人員過去並不願意採用曾讓OEM業者繳出良好表現的整合策略。


這也不是太讓人驚訝,因為「穿戴式裝置」的種類事實上涵蓋非常多的裝置型式,要定義一個可以同時滿足多種不同裝置的電源管理IC是很困難的,更何況穿戴式市場當時還處於初期發展階段。


不過,到了現在,裝置的架構已經越來越明顯了,就是被設計戴在手腕上,例如智慧手錶和運動手環,而這樣的趨勢會引出全新種類的「微型PMIC (microPMIC)」,可以針對穿戴式裝置的功率密度提供解決之道。


傳統PMIC市場發展

電源系統設計師在想到PMIC時,他們通常想到的就是龐大、高功率的裝置,且會針對各家應用處理器業者,例如Qualcomm、Nvidia及Intel所生產的特定處理器系列進行最佳化。這些PMIC是各家處理器的理想搭配,能在小型封裝中提供最適當的穩壓輸出組合,且能提供所需的散熱途徑及預期要供給的負載。


某些並非如此普及的處理器可能沒有與之搭配的PMIC,但是如果設計師使用的處理器擁有PMIC的支援,而他還不採用,那這個設計師應該是瘋了。


事實上,在智慧型手機和平板領域中,市場主流選擇就只有一或兩個處理器系列,如此龐大的市場規模就值得PMIC製造商開發處理器的專屬元件。


在穿戴式裝置市場中,處理器的選擇並未獨尊至相同的程度,所以功率半導體業者為穿戴式裝置量身打造新的PMIC,是無法享有這種標準處理器規格所帶來的好處。


所以,OEM設計人員應該期望能找到完全符合其需求的標準型PMIC嗎?很明顯,訴求廣大穿戴式裝置市場的PMIC並無法符合系統的全部需求;或者是需要增加離散式功率元件,而這又違背了採用PMIC的初衷;又或者它會包含一些不被用到的功能,這就增加了功耗、成本,以及PMIC的晶片尺寸,所提供的是一個並非最佳化的解決方案。


然而,如果處理器選擇的多樣性有礙於提供一個標準的PMIC,則或許能在其他地方找到通往電源要求標準化的路徑嗎?



圖1 :  智慧手錶的典型架構。有零件型號的功能區塊是由ams提供的元件。
圖1 : 智慧手錶的典型架構。有零件型號的功能區塊是由ams提供的元件。

圖1為智慧手錶設計的圖示,關於微控制器,可以從採用ARM核心的多種標準裝置中選擇,但是對於許多智慧手錶而言,系統的整體基礎架構是相同的,這是因為它們所要滿足的消費者期望都是相同的,像是生理及環境感測、位置資訊及使用者和通訊介面等。


所以,如果PMIC業者將此共同架構視為它們的標準,就可以首度針對穿戴式裝置中的電源系統開發整合型解決方案,可以完全或幾乎是完全滿足許多OEM產品的電源需求。主處理器及Bluetooth和GPS發射器作用於1.8V供電:這通常是由降壓型穩壓器提供。


其他的功能區塊需要3V供電,這些包括顯示器以及心率監測器等感測器。此外,提供觸覺反饋的無刷DC(BLDC)馬達則需要它自己的隔離電源,用來提供功率脈衝。


傳統的電源系統設計方法需要採用多種離散式電源IC:


‧獨立型電池充電IC


‧提供1.8電源的降壓型穩壓器


‧BLDC馬達的觸覺反饋驅動器或線性穩壓器(LDO)


‧3V輸入的顯示器或感測器所需的LDO


這種方法大大阻礙裝置縮小化,它需要很大的板子面積來容納這些元件本身,以及將這些元件和系統其餘部分連結的線路。這甚至還沒有考慮到電路板布局的一些潛在難題,包括電磁排放的管理、採用多個元件對於成本的衝擊,以及使用多個離散元件會損及可靠性等。


相對來說,微型PMIC(microPMIC)就比較容易整合進這個設計中,並能提供較簡單的板子布局。在圖示中,這種方法可由AS3701所實現,這是ams針對穿戴式裝置所生產的microPMIC。


這個元件針對圖1中的系統型式進行最佳化,所節省的空間是相當可觀的:AS3701的晶片級封裝面積為4mm2,間距僅0.4mm。這個封裝裡面有功能完整、具有電源路徑管理的的線性電池充電器;多個電源軌、保護功能、排序功能及連結MCU的I2C介面。


AS3701的佔板面積能降低成本及減少空間使用。圖2是針對圖1的穿戴式裝置所進行的電路板布局。少了AS3701內部的三顆球:這就提供了空間,讓連結更為容易,不需使用襯墊通孔(Vias in Pad)。



圖2 :  布局圖示,顯示被用於一般智慧手錶設計中的AS3701
圖2 : 布局圖示,顯示被用於一般智慧手錶設計中的AS3701

所以,對於智慧手錶的複雜電源需求而言,佔板面積如此小的microPMIC能提供哪些好處?就AS3701A而言,多個電源軌包括兩個200mA LDO、一個500mA降壓型DC-DC轉換器,以及兩個40mA可程式電流流入(Current Sink)/通用型輸入輸出(GPIO)(請見圖3)。如圖1所示,不由AS3701A供電的一個電源軌是供電給AS7000的LED的5V輸入,這個部分是由一個離散型升壓轉換器所提供。



圖3 :  AS3701A microPMIC包含多個電源區塊及一個電池充電器
圖3 : AS3701A microPMIC包含多個電源區塊及一個電池充電器

這個同步降壓轉換器包括多個省電特性:動態電壓調整,以及範圍從1MHz至4MHz的可選頻率,如此就能針對不同的負載水準進行效率最佳化。圖4顯示,當供電負載介於1mA和300mA之間時,能達到高效率,在這個裝置的2mmx2mm封裝中,各個功能區塊可以達到許多成效。



圖4 :  AS3701的500mA DC-DC轉換器的效率曲線
圖4 : AS3701的500mA DC-DC轉換器的效率曲線

當然,對於穿戴式裝置的電源系統而言,功率密度和較長的電池運作時間是最重要的,系統設計人員要滿足特定最低程度的效能規格,尤其是雜訊及散熱部分。


GPS模組對於峰至峰(Peak-Peak)電壓漣波雜訊特別敏感:它們所能容忍的一般最大程度是50mV。在此處,AS3701A的DC-DC轉換器能提供廣大的安全餘裕,(請見圖5)。



圖5 :  來自AS3701A的DC-DC轉換器的峰至峰輸出電壓漣波低於50mV,這是一般GPS模組所能容忍的最大值。此轉換器以3.7V的供電電壓、1.8V的輸出電壓、20mA的輸出電流測試,在低雜訊模式以2MHz切換。輸出漣波只有14.4mV。
圖5 : 來自AS3701A的DC-DC轉換器的峰至峰輸出電壓漣波低於50mV,這是一般GPS模組所能容忍的最大值。此轉換器以3.7V的供電電壓、1.8V的輸出電壓、20mA的輸出電流測試,在低雜訊模式以2MHz切換。輸出漣波只有14.4mV。

大部分由智慧手錶的microPMIC所供電的負載都低於50mA;感測器傾向於汲取數十微安培的電流。這就意謂熱負載很小,微小的MicroPMIC封裝很容易就能處理。


最高峰值的電流是由觸覺馬達所汲取,它的啟動電流可能高達100mA,但是會在啟動後快速下降。初始的供電電壓也必須夠高,才能符合馬達數據表中所列出的供電電壓規格。


在AS3701中,這樣的需求是由可程式化LDO所滿足:使用者可從大範圍的電壓設定中選擇。編程可透過I2C調整,以支援觸覺馬達開關所需的脈衝,並能動態修正輸出電壓以提供斜坡效應(ramp effect)和軟振動(soft vibration)。


microPMIC方法的優點及妥協。


前文提到,如果有處理器的PMIC可以使用,而設計人員選擇不用,則他一定是「瘋了」,而設計人員不使用智慧手錶的microPMIC,這是不是也一樣是瘋了?


當然,使用多個離散式功率元件似乎是無法實現較小的佔板面積。假定圖1充分代表智慧手錶或運動手環的新設計,則像是AS3701這樣的microPMIC幾乎能完美搭配。


此外,還有一些其他優點也讓設計師願意選用microPMIC,其一是單一功率元件的組裝較為容易。圖6是GUI的螢幕截圖,來自於AS3701的評估板。相當明顯的,它很簡單就能針對降壓型穩壓器和LDO編程不同的輸出電壓。這個GUI也能支援各種電池的供電排序和充電功能設定。透過I2C介面,所有的這些註冊器(Register)都能在任何時間由微控制器覆蓋(Overrideen),讓設計人員能快速改變輸出電壓,或是將這個部分改換至待機模式。


因此,儘管有些使用者會本能地警惕想到,使用microPMIC可能會限制最佳化效能以符合應用需求的彈性,但是,就一個PMIC所提供的可程式化特性來看,的確是可以讓每一個電源軌始終都能獲得適當的供電,而且是由一個佔板面積極小的整合型裝置所供電。



圖6 :  螢幕截圖顯示支援AS3701A microPMIC的設計工具
圖6 : 螢幕截圖顯示支援AS3701A microPMIC的設計工具

概述

「穿戴式裝置」涵蓋的產品類型相當廣泛,然而,最普及的就是穿戴在手腕上的類型,一般就是指智慧手錶和運動手環。


智慧手錶和運動手環的架構愈趨標準化,結合包括生理感測、無線連結及微控制器在內的各種功能區塊。這就引出對於新標準整合型電源裝置,或說是microPMIC的迫切需求,以提供感測器、發射器及處理器所需的不同電源輸出。


在本文中,ams以AS3701為例,說明這類microPMIC取代傳統的智慧手錶電源系統設計的好處,使用者能大幅節省佔板面積,大幅提升其設計的功率密度。


文章也說明了使用microPMIC的其他好處,包括節省組裝成本、更簡單的板子布局,以及設計和編程工具的支援等。(本文作者為Mark Shepherd、Thomas Kail、Stephan Kreszl)


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