초 저전력 PMIC

초 저전력 PMIC는 웨어러블 기기의 성능을 향상시킨다.

유용한 기능을 갖춘 웨어러블 기기를 만들기 위해 많은 기능이 통합되었습니다. 폼 팩터, 디자인 및 에너지 효율성은 업무를 올바르게 수행 할뿐만 아니라 편안하고 매력적이며 사용하기 쉬운 장치를 실현하여 생산성, 건강 및 라이프 스타일을 개선 할 수있는 새로운 방법을 제공하는 데 필수적입니다. 착용 형  IoT (always-on wearable) 제품의 목표는 폼 팩터를 줄이면서 배터리 런타임을 연장하는 것입니다.이 폼 팩터는 소형의 고집적 전원 관리 IC (PMIC)로 수행 할 수 있습니다.

웨어러블에서의 광 감지 정밀도는 큰 관심사이며 PMIC 선택을 포함한 다양한 기술적 요소의 영향을 받습니다. 초 저전력 PMIC는 건강 애플리케이션을위한 광학 측정의 민감도를 최적화하는 회로 아키텍처를 통합 합니다. 새로운 PMIC는 예를 들어보다 정확한 생체 신호 측정을 위해 손목 착용 폼 팩터에서 광학 센싱을위한 최고 감도를 가능하게 합니다.

최근 몇 년 동안, 순환 형 착용 형 센서의 수가 기하 급수적으로 증가 했습니다. 이것은 의료 비용의 증가에서 건강에 집착하는 특징 인 "건강 광신자"의 성장에 이르는 다양한 요인들 때문입니다. 또한 인터넷 덕분에 소비자는 이제 자신의 건강과 관련된 정보에 쉽고 거의 무제한으로 액세스 할 수 있습니다. 착용 식 의료 분야에서 신뢰할 수있는 솔루션을 설계하려면 신뢰할 수있는 전자 장치가 필요합니다. 청취 가능 및 스마트 워치와 같은 장치에 필요한 높은 기능성은 더 높은 에너지 소비를 필요로 합니다.

점점 작아 진 패키지의 추세는 충전을 용이하게하는 차세대 통합 전원 관리 회로를 필요로 합니다. 리튬 이온 (Li-ion) 셀과 같은 착용 식 기술에 적합한 기존의 배터리는 전력 수요가 낮은 센서 및 기타 착용 가능한 장치에 적합 할 수 있지만 연설과 같은 최고 성능의 착용 가능 요구 사항을 따라 가기 위해 애를 먹고 있습니다. 웨어러블 기기의 인쇄 회로 기판 (PCB) 설계는 전자파 적합성 요구 사항에 따라 재료 선택과 올바른 레이아웃을 고려해야합니다. 웨어러블 PCB는 훨씬 더 가까운 임피던스 제어를 필요로하는데, 이는 레이아웃의 필수 요소이므로보다 깨끗한 신호 전파가 가능합니다.

 

PMIC 아키텍처

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일반적인 웨어러블 디바이스 아키텍처에는 SoC (System-on-Chip), 메모리, 디스플레이, 센서 및 전원 관리 블록이 포함된다. 일반적인 전력 관리 시스템에는 충전기, 다양한 벅 컨버터 및 블루투스 / Wi-Fi 연결 용 저전압 강하 레귤레이터 (LDO)가 포함된다. 예를 들어, 스마트 워치에서 설계 과제는 기본적으로 소산 관리 및 배터리 크기 조정입니다. 이 모든 작업에는 적절한 PMIC 장치 선택이 필요합니다.

대부분의 시스템은 마이크로 컨트롤러 및 통신 프로토콜 용 3.3V 및 1.2V 공급 버스와 같이 공통 회로 기능에 맞게 조정 된 충전기 및 다양한 출력을 필요로합니다.

PMIC의 구성이 가능한 통합 리니어 로더는 광범위한 리튬 이온 배터리를 지원하며 안전성을 높이기 위해 배터리 온도 모니터링 기능을 포함하고있습니다. 디자이너는 양방향 I ² C 인터페이스를 사용하여 장치 상태를 구성하고 모니터링 할 수 있습니다. PMIC의 아키텍처에는 감독 기능이있는 컨트롤러도 포함됩니다.

벅 및 부스트 컨버터가 내장 된 전원 공급 시스템이 가장 효율적입니다. 저전압, 저전압 강하 선형 레귤레이터는 저잡음 디바이스에 적합하지만 에너지 효율은 중요한 요소가 될 수있습니다. 최적의 공급 시스템은 스위칭 전원 공급 장치의 독점적 인 사용으로 표현됩니다. 이 방식의 단점은 각 스위치가 인덕터를 필요로하므로 PCB 공간과 웨어러블 기기의 크기가 증가한다는 것입니다.

결과적으로이 회로는 단일 입력, 다중 출력 (SIMO) 아키텍처를 사용하여 다양한 전원 버스를 통합하는 단일 전원 관리 솔루션이 필요합니다. 다중 출력을 제공함으로써 SIMO 접근 방식은 컨트롤러의 낮은 대기 전류와 함께 웨어러블 디자인의 배터리 수명을 연장시킵니다. 레귤레이터는 에너지 손실을 최소화하고 아키텍처는 일부 중복 구성 요소를 제거하는 동시에 BOM을 절약합니다.

한 예로 Maxim Integrated의 MAX20310 은 2 개의 SIMO 벅 부스트 출력과 2 개의 LDO 및 시퀀싱 컨트롤러와 같은 다른 전력 관리 기능을 결합한 통합 전원 관리 회로입니다. 선형 레귤레이터는 시스템 주변 장치의 비활성 부하를 차단 하여 효율을 향상시킬 수있는 전원 스위치로도 기능 할 수있습니다 .

 

광학 감지 정확도

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웨어러블 기기에서 광학 측정의 정확도는 공급 전압의 안정성과 관련된 사용자의 독창적 인 다양한 생물학적 요인과 설계의 특성에 의해 영향을받습니다. 설계자는 광범위한 응용 분야를 커버하기 위해 신호 대 잡음비 (SNR) 측면에서 광학 시스템의 감도를 높이려고 노력합니다. 낮은 무부하 전류 레귤레이터를 사용하면 리플 또는 긴 안정 시간과 관련하여 SNR을 저하시키는 설계상의 문제가 발생 합니다.

그 중 하나는 맥심의 MAX20310 와 같이 고주파에서 리플이 낮은 벅 부스트 레귤레이터가 심장 박동수, 혈중 산소 (SpO ₂ ) 및 포도당 수준과 같은 측정을 방해하지 않는 PMIC 입니다 .

정확도가 더 높은 측정은 환자가 정보에 입각 한 선택을 할 수있게 도와줍니다. 예를 들어, 실시간 포도당 수치는 하루 종일 필요한 음식, 신체 활동 및 약물 치료의 유형에 대해 더 나은 결정을 내리는 데 도움이됩니다.

심박수의 광학 측정은 동맥의 혈액량을 측정하는 광학 기술인 photoplethysmography (PPG)를 사용하여 수행됩니다. 측정 조건에 따라 컨트롤러는 최대 7dB까지 성능을 향상시킬 수 있습니다.

MAX20345 PMIC에는 리튬 이온 배터리 충전기와 6 개의 전압 레귤레이터가 통합되어 있으며 각각 500nA의 초저 무부하 전류를 제공합니다. 3 개의 고효율 싱크로너스 벅 레귤레이터는 펄스 주파수 변조 (PFM) 제어 방식을 사용합니다. 이들 컨트롤러의 출력 전압은 최대 0.7V까지 의 I ² C 인터페이스 를 통해 프로그래밍 할 수있습니다 . 또한 벅 레귤레이터는 동적 전압 스케일링 (DVS)을 지원하기 때문에 설계자는 시스템 전력 소비를 더욱 향상시킬 수있습니다.

웨어러블 애플리케이션에서 배터리 수명을 연장한다는 목표는 Dialog Semiconductor의 임무입니다. 고집적 및 낮은 무부하 전류의 DA9070 PMIC는 충전 사이클, 벅 레귤레이터, 배터리 모니터링, 워치 독 및 다양한 보호 기능을 가속화하기 위해 최대 500mA의 전류를 갖는 선형 충전기를 통합하고 있습니다.

DA9070은 배터리 수명을 늘리기 위해 몇 가지 절전 모드를 제공합니다. 프로그래머블 전원 상태는 작동 모드에서 성능을 최적화하고 스토리지 모드에서 배터리 수명을 연장합니다. 통합 고효율 부스트 레귤레이터는 광범위한 구성 가능한 출력 전압으로 센서 및 디스플레이 요구 사항을 모두 지원합니다. 통합 PMIC는 다른 디스크리트 솔루션에 비해 전원 관리 공간을 25 % 줄입니다.

결론

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IC는 물리적 크기가 줄어들지 만 용량과 복잡성은 계속해서 증가하고 전원에 부담을줍니다. 웨어러블 제품은 크기가 작을뿐만 아니라 인체의 모양과 움직임을 수용하기 위해 유연한 폼 팩터를 요구하기 때문에 설계 프로세스가 더욱 복잡해집니다.

웨어러블 기기 설계의 주요 목표는 소형 폼 팩터, 저중량 및 최저 에너지 소비입니다. 동작 모드 및 셧다운 모두에서 PMIC의 낮은 전력 소비는 초저 무부하 전류와 함께 실행 시간을 늘리는 데 필수적이지만 DC / DC 컨버터의 저전력 소모는 제품 최적화에 필수 입니다.