デザインソリューションパワー

SIMOでスマートウォッチの寿命を延長する
スマートウォッチ市場の成長は、さまざまな新しい機能やアプリケーションに後押しされ、一向に衰える兆しがありません。個人用のヘルスおよびフィットネス製品は、トラッキング、アラート、コネクティビティのような新機能を内蔵しています。スマートウォッチ制御の自動車の台頭は、緊急支援や自動車のステータス更新などの機能に後押しされています。耐水および耐衝撃機能や高輝度ディスプレイは、この市場の成長を世界中でけん引しています。高解像度カメラ、GPSレシーバ、小型高性能スピーカ、大容量ストレージなどの新機能が搭載されつつあります。
しかし、製品の一層の小型化が求められることから、電子部品の小型化の課題は厳しさを増し、バッテリ寿命延長のために新たな課題も生じています。
このデザインソリューションでは、小型ウェアラブル機器(図1)用にバッテリ寿命の延長を実現しながら、非常に小さなスペースで高効率に電力を供給する革新的なパワーマネージメン
トシステムを紹介します。

よびそれ以上の電圧でのバックブースト動作に対応するとともに、バッテリ電圧未満の電圧での(本質的にバックブーストよりも効率的な)バック動作も提供します。最後に、高周波動作によって小型インダクタの使用が可能となり、必要なスペースがさらに最小限に抑えられます。2つのオンチップLDOは、ノイズに敏感な負荷用に、または負荷スイッチとして使用されます。図2は、高集積SIMO PMICを示しています。
この図では、簡素化のために外付け受動部品は省略されています。
VIN

SENSORS
1.8V,1mA

BLUETOOTH®
1.8V,20mA

LDO0

LDO1AC
ADAPTER

1 Li+CHARGER
AND POWER
PATH
PMIC

GPSLDO INMICROSIMO BUCK/BUST-BOOST

0.8V, 60mA

2V, 50mA
DISPLAY
3.1V, 100mAL

図2. 高集積SIMO PMICのブロック図

SIMOの電力ツリー

図1. スマートウォッチの実例

プログラム可能なSIMOソリューション

理想的には、効率的なソリューションは最小限のスペースを占有し、バッテリチャージャや必要な安定化回路をすべてワンチップに集積してスマートウォッチブロックに電力を供給します。3つのスイッチングレギュレータと1つのインダクタを実装した単一インダクタマルチ出力(SIMO)バックブーストコンバータは、占有スペースをさらに縮小させます。各レギュレータのトポロジはプログラム可能で、バッテリ電圧範囲内おwww.maximintegrated.com/jp/design-solutions

図3はシステムの電力ツリーで、各レギュレータの出力電圧、負荷電流、効率、および消費電力(PD)を示しています。5
つの負荷のうち3つは、高効率SIMOスイッチングレギュレータによって直接給電されます。また、4つ目と5つ目の負荷に対するLDOはSIMOによって給電され、低ドロップアウト(2V～1.8V)であるため90%の効率を達成します。総合的なシステム効率は86.2%で非常に優れています。

1

3.8V
LI+
152.6mA
84%, PD = 59mW

3.1V
SIMO

100mA

90%, 71mA

2.0V
SIMO50mAPD = 16mW

0.8V
SIMO

90%,

1.8V
LDO

PD = 3.6mW

1.8V
LDO

PD = 0.2mW

20mA

90%,

1mA90%, PD = 5.3mW

60mA

図3. 高効率SIMOの電力ツリー

バックブーストにおいてM2およびM3_xトランジスタがオンのフェーズにのみ電流が出力に供給される一方、バックモードにおいてサイクル全体を通じて電流がどのように出力に向けられるかに注意してください。出力に対するサイクル当りの電流供給が大きいため、バックコンバータは最も効率的なアーキテクチャとなります。
出力への供給は、出力エラーコンパレータが要求する順序で行われ、これはファーストイン/ファーストアウト(FIFO)とも呼ばれています。
SBB0 > SBB1 > SBB2
VIN

-SBB0

VIN

-SBB1

VIN

-SBB2

L

L

L

LL

L

SIMOコンバータ

図4は、SIMOコンバータのブロック図を示しています(インダクタを除くすべてのコンポーネントが含まれています)。
このスイッチングレギュレータは、最小限の損失で電力を供給します。優れたアーキテクチャを採用しているため、各スイッチングレギュレータに1つのインダクタを実装する必要はありません。
VIN

L

CONTROL

図5. SIMOの電流波形の例

図5に示すように、3つのスイッチングレギュレータは1つずつ動作し、インダクタ電流を0Aに減少させてクロスレギュレーションの問題を回避します。
より小さなスペースでバッテリ寿命を延長

M1

M2

TIME

X = REVERSE BLOCKING CIRCUIT
X

M4

SBB0

M 3_0
X

SBB1
M 3_1
X

小型のMAX77654 PMIC (WLP、2.79mm x 2.34mm x 0.5mm)
は、そのSIMOスイッチングレギュレータと内蔵LDOによって、標準的な実装に比べて41%小さなPCBスペースで損失を最小限に抑えて電力を供給します(次のセクションを参照)。図6
では、PCB上のすべての能動および受動部品を考慮しています。
占有する基板スペースは合計19.2mm2にすぎません。

SBB2

AREA TAKEN: 26.58mm2.
NON-EMPTY AREA: 19.16mm2

M 3_2

CLD01

バックモードでは、M1とM3_xがオンになり、インダクタにおいて(VIN - VSBBx)/Lのレートで電流を増大させながら電流を出力に供給します。インダクタ電流が設定された限度に達すると、インダクタからのエネルギーはM2をオンにし、M1をオフにすることによって出力に供給されます。

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5.44mm

CSBB2

CSYS

L

CBST

バックブーストモードでは、インダクタはM 1およびM 4が｢オン｣の状態でV IN/Lのレートで電流を増大させます。図5に示すように、設定された限度に達すると、電流はM2およびM3_x
トランジスタを介して選択されたSBBx出力に供給されます。

MAX77654
CBATT

このヒステリシスを備えた断続電流モード(DCM)レギュレータ
では、インダクタ電流が常に0となるため、インダクタを共有することが可能です。

CSBB1

CCHGIN

インダクタ電流共有

CSBBO

CVL

図4. SIMO PMICの電力ブロック図

CLD004.88mm

図6. 最小限の基板スペース(19.2mm2)しか占有しないSIMO PMIC
ソリューション2効率

必要に応じてバックモードに設定可能であるため、効率上の利点がさらに拡大します。図7では、SIMOのバック動作はバックブースト動作を6%上回る効率を示しています。設定可能なインダクタピーク電流限度(IP_SBBX)は、0.5Aに設定されています。

1.8V
LDO
2.0V
BUCK

EFFICIENCY (%)

9590

81.5%
PD = 70.3mW
90%90%, 131mA

50mA
0.8V
LDO

80

1.8V
LDO

75100mA
20mA

PD = 4mW

PD = 29.1mW

8540%60mA

PD = 72mW
90%1mAPD = 0.2mW706555

図9. 効率に劣る標準的なソリューションの電力ツリー

VIN_SBB = 4.2V, BUCKVIN_SBB = 4.2V, BUCK-BOOST

600.1110
ISBBx (mA)

2つのソリューションの電力性能の比較を表1に示します。

100

表1. 従来のソリューションに対するSIMOの優位性
パラメータ

図7. バックおよびバックブーストの効率の比較

標準的なパワーマネージメント実装

スマートウォッチの標準的なパワーマネージメントシステムを図8に示します。PMICは、バッテリチャージャ、マイクロに給電するバックコンバータ、およびディスプレイに給電するLDOを実装しています。2つ目のICはデュアルLDOで、センサーとBluetooth®に給電します。
この図では、簡素化のために外付け受動部品は省略されています。
VIN
IC1

1 Li+

3.8V
LI+

3.1V
LDO

IP _ SBBx = 0.50A
BIAS IQ (37µA) REMOVED

100

標準的な実装の電力ツリー全体を図9に示します。
このスペースに制約がある標準的なソリューションでは、多数のLDOを使用しているため、総合的な効率は73.8%にすぎません。

176.6mAVSBBx = 3.3V EFFICIENCYvs.
OUTPUT CURRENT
105

電力におけるSIMOの優位性

CHARGER

LDO1

1.8V
BLUETOOTH®

LDODISPLAY

BUCK

LDO2

SIMOの優位性

リチウムイオン
バッテリ電流176.6mA

152.6mA

SIMOは24mA節減

システム効率

73.8%

86.2%

SIMOは12.4%効率化

最低リチウムイオンバッテリ
電圧3.1V LDOに
より32V

2.7V

SIMOはより大幅に放電可能

1.8V

SIMOソリューションでは優れた効率によってバッテリ消費が低減されるとともに、動作範囲が拡大されるため(最小2.7V)、スマートウォッチの動作時間が延長されます。
サイズにおけるSIMOの優位性

図10のソリューションの図では、図9に示した標準的な電力フロー図のすべての能動および受動部品を考慮しています。

SENSORS

MICRO
PMIC

SIMO

IC2

3.1V

2V

従来のソリューション

DUAL LDO

図8. 標準的なウェアラブルの電力フロー図

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3

用語集
ブースト：ステップアップスイッチングレギュレータ
バック：ステップダウンスイッチングレギュレータ

CSYS

CAC

CSYS

COMPETITOR ADSBGA-25

DUAL LDO

CLDO

CBAT

CLDO

6.4mm

CLDO

RSET

AREA TAKEN: 57.6mm2
NON-EMPTY AREA: 32.4mm2

CLDO

CDCDC

CDCDC

L

CIN

Li+：リチウムイオンバッテリ
PCB：プリント回路基板

PMIC：パワーマネージメントIC

SBBx：SIMOバックブースト電圧レギュレータ出力x

R2
CFF

LDO：低ドロップアウトレギュレータ

SIMO：単一インダクタマルチ出力電圧レギュレータ

R1

さらに詳しく：9mm

図10. 標準的なウェアラブルソリューションの基板スペース(32.4mm2)

この標準的なウェアラブルソリューションは、約32.4mm2の基板面積を占有します。
これはSIMOベースのソリューションの面積(19.2mm2)を69%上回ります。
この場合、比較的低水準の集積度、複数のLDOの使用、より大型の受動部品のために、ソリューションはスペースと電力の両面で非効率となります。

MAX77654:超低電力PMIC、単一インダクタ、3出力バックブースト、2 LDO、小型リチウムイオン用パワーパスチャージャ、および出荷時モード内蔵SIMOでヒアラブルの寿命を延長する

結論

このデザインソリューションでは、SIMOアーキテクチャに基づく高集積PMICによってスマートウォッチに給電することの利点について説明しました。SIMOソリューションと、PCBスペースおよび消費電力の両面で非効率な、集積度の低い標準的なソリューションを比較しました。
MAX77654 PMICは、独特なSIMOアーキテクチャによって、より小さなスペースでより大きな電力を効率的に供給し、スマートウォッチなどの小型ポータブルアプリケーションのバッテリ寿命延長と小型化を可能にします。

デザインソリューション No. 158
Rev 0; September 2019
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