所有行业的物联网（IoT）正在推动所有行业的数据采集呈指数级增长。从家用电器到汽车等，自主“智能”物品正在处理数据并共同形成通常称为物联网的网络。在这个物联网世界中，“智能”的东西被宽松地定义为产生实质价值信息的节点; 然而，实施负责数据采集的硬件需要细致的设计规划。考虑一个可穿戴设备。为了使可穿戴设备能够长时间运行，它们必须设计用于高效的电源管理并具有紧凑的外形。这包括最大化可用电池容量和设计超低功耗，同时保持较小的解决方案占板面积。
扩展电池容量电池为便携式电子设备提供临时的，不受管制的电源。原电池是一次性使用的电源;]负载消耗的功率越多，电池电压和有效容量的降低就越显着。当有效容量减小时，提供给下游电路的相同电流的可用时间减少。电池的有效容量也受环境温度和充电/放电循环的负面影响。出于这些原因，电池需要一种具有以下特征的规范分配形式： - 尽可能高效地为多个电压轨提供电源转换
- 降低充满电的电池并升高放电电池，以保持负载两端的恒定电压
- 防止超过最小截止电压
- 防止超过最大放电电流
电源管理系统所需的最低输入电压是系统可以运行的最低电池电压。为了最大化可用电池容量，需要使用尽可能低电池电压的电源树。请注意，在电池受到压力并且寿命开始显着降低之前，电池会指定最小的截止电压。因此，电源树应设计为低至电池的最小截止电压，并在此后不久进入欠压锁定（UVLO）。 最大化系统效率可穿戴物联网设备具有轻巧紧凑的外形，通常需要运行时间较短的微型电池。当电压轨未使用时，电源管理系统应关闭。为了有效管理可穿戴物联网设计中的电压轨，电源管理集成电路（PMIC）可通过在需要时启用/禁用电源块来提供灵活性。PMIC基本上可以使可穿戴物联网设备在两次充电之间运行更长的时间。 集成电源树的PMIC通过管理电源排序和切换，保护，监控和控制来提供设计灵活性。与使用分立元件设计的相同电源树解决方案相比，使用集成电源树带来了最大系统效率的优势，即调节器存在于与PMIC不同的独立封装中。当对集成电源树内部访问所有电路时，由于电源电路块之间不存在充电/放电引脚电容，因此降低了功率损耗。 电源管理系统以三种不同的形式执行DC-DC电源转换，具有物理尺寸，灵活性和效率的差异。 - 线性稳压器可以完全集成并具有电压可扩展性，但效率不高
- 基于电容器的开关稳压器可以完全集成且高效，但没有电压可扩展性
- 基于电感的开关稳压器 - 可以高效且具有电压可扩展性，但往往不能完全集成
通常，基于电容器的开关稳压器（也称为电荷泵）由于其有限的输出电压可扩展性而不是标准的。例如，电荷泵被认为是栅极驱动器的合适选择;]为了最大限度地提高效率，降压调节器为线性稳压器提供恒定的输入电压。 图1描绘了可穿戴物联网设备中用于这些电路块的常见单电感器功率树：触觉反馈，显示，无线通信和微处理器内核。在这个典型的实现中，从Li +单元开始的分支进入降压稳压器并以1.85V LDO线性稳压器结束，总效率为81.2％。如果1.85V LDO线性稳压器直接连接到Li +电池，效率将等于48.7％ - 功率损耗增加10倍。这进一步证明了降压调节器在电池供电系统中的价值。 图1.使用典型PMIC的常见单电感器电源树。 以下两个等式仅计算线性稳压器的功率损耗PL和效率η。 功率损耗：PL]效率：η= V OUT / V IN 以下两个等式计算相同的参数，但适用于所有线性和开关稳压器。 功率损耗：PL = PO×（1-n）/ h 效率：η=]在图1中，每个功率块效率的总乘积定义了系统效率ηsystem= 69.1％。每个功率块功率损耗的总和定义了系统功率损耗Psystem损耗为56.7mW。最大压差为100mV的3.3V LDO决定了系统所需的最小输入电压，即3.4V。实际系统占位面积FP由晶圆级封装（WLP）尺寸（2.72mm x 2.47mm），0402电容器（英制单位）和2.2μH0805电感器决定，如图2所示。 图2.使用典型PMIC的布局封装，用于常见的单电感器电源树。外部组件的占地面积大小以英制单位给出。 表1提供了0402和0805表面贴装元件封装的物理尺寸。 表1. 0402/0805封装表面贴装元件尺寸和尺寸[td]| 套餐（英制单位） | 尺寸（宽×长） | | 0402 | 5毫米x 1毫米 | | 0805 | 1.25mm x 2.0mm |
权力树的功绩图在功率树中，最小尺寸和最大效率往往是互斥的，导致两者之间的权衡。要比较不同电源树实现的功耗和占用空间大小，请考虑品质因数（FoM），定义如下： 品质因数：FoM = FP x PL 其中PL定义W中的功率损耗，FP定义功率树解决方案的占用空间大小，单位为m2。具有最低FoM的功率树是在最小占位面积FP组合中具有最低功率损耗PL的实施方案。理想的功率树的FoM等于零;]在图1所示的电源树中，有提高系统效率，功率损耗和热性能的空间; 但是，有一些权衡取舍。1.2V LDO线性稳压器可以替换为第二个板载降压稳压器，大大降低了功耗，但也带来了以下缺点： - 需要额外的电感器，其高度相当于五张打印纸的堆叠
- 为可穿戴物联网设备增加超过1毫克的重量
- 需要增加8.3％的布局面积（更大的占地面积）
- 创建额外的切换循环，可能会损害整体系统性能
- 电源树所需的最小输入电压保持不变
如果没有降低功率树所需的最小输入电压，那么对可穿戴物联网设备中可用电池容量的访问不会最大化。图1中常见的单电感器电源树，最小输入电压为3.3V加上LDO线性稳压器的压差电压，并未使用LiFePO4电池的所有可用电池容量，其标称开路电压略低于3.5V。在下游电路需要短时间高功率突发的情况下，常见的单电源树可以经历UVLO，因为在LiFePO4的负载电压和电源树操作所需的最小输入电压之间没有足够的电压裕度。这种常见的困境可以通过使用单电感来解决， 通过低FoM的SIMO]由于控制环路中的常开串联传输晶体管，为了实现高效率和热性能，可能存在避免线性稳压器的诱惑。但是，必须考虑可穿戴设备的PCB空间限制。鉴于此，线性稳压器可能是更好的选择，提供噪声敏感电子设备所需的清洁电压供应的额外好处，例如脉冲血氧计，可编程器和生物电位AFE。这些设计权衡是不可避免的。系统性能不应因为折衷而受到影响 - 实际上，这种情况为设计具有低FoM的高效系统电源树提供了机会。
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