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Power-Management-IC Micro-PMIC organisiert Leistungsverbrauch in Wearables

Autor / Redakteur: Mark Shepherd, Thomas Kail, Stephan Kreszl * / Gerd Kucera

Am Beispiel einer Smart-Watch-Schaltung wird gezeigt, wie ein Micro-PMIC (Micro-Power-Management-IC) unterschiedliche Spannungen für Sensoren, Wireless-Module, Prozessor und BLDC-Motor bereitstellt.

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Bild 1: Typischer Aufbau einer Smart-Watch. Die Teilenummern in Funktionsblöcken sind von Geräten, die von ams hergestellt wurden.
Bild 1: Typischer Aufbau einer Smart-Watch. Die Teilenummern in Funktionsblöcken sind von Geräten, die von ams hergestellt wurden.
(Bild: ams)

Seit einigen Jahren haben Smartphones den Gold-Standard hinsichtlich kompakter Lösungen für Leistungssysteme festgelegt. Inzwischen haben auch gegensätzliche Design-Anforderungen ihren Höhepunkt erreicht: etwa die lange Betriebszeit des Akkus einerseits und die Verkleinerung jeder Komponente andererseits, einschließlich des Akkus.

Im Entwurf von Smartphones und Tablets bestand das effektivste Konzept in Richtung Miniaturisierung in der Integration, d.h. im Kombinieren möglichst vieler Funktionsblöcke des Leistungssystems in einem einzigen Power-Management-IC (PMIC).

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Es ist festzustellen, dass Hersteller von Wearable-Elektronik den Gold-Standard angehoben haben. Die Nachfrage nach Leistungsdichte ist hier sogar noch größer als bei Smartphones oder Tablets. Genauso wie ein Smartphone sind in Wearables eine Vielzahl Sensoren, Module für die Drahtlosübertragung und periphere Benutzerschnittstellen um einen Prozessorkern enthalten.

Der Formfaktor ist allerdings mehrfach kleiner, und der für einen Akku verfügbare Platz ist sehr gering. Doch wie aus der Reaktion der Verbraucher auf die ersten Smart-Watches hervorgeht, liegt den Benutzern viel an der Akkulaufzeit. Sie sind entschieden gegen die Vorstellung, dass sie ihre Wearables häufiger aufladen müssen als ihr Smartphone oder ihr Tablet.

Paradoxerweise haben bislang Entwickler von Wearables die Strategie der Integration abgelehnt, die den Smartphone-OEMs so gut gedient hat. Dies ist insofern nicht überraschend, da die Kategorie der Wearables in der Tat vielzählige Gerätetypen abgedeckt hat. Ein PMIC zu entwickeln, der in der Lage ist, mehrere verschiedene Geräte zu unterstützen, war in der frühen Phase des Wearables-Marktes alles andere als einfach.

Mittlerweile haben sich aber klare Trends bei der Entwicklung von Systemen bewährt (etwa Smart-Watches und Fitness-Armbänder). Dies wiederum führt zur Einführung einer neuen Klasse an Micro-PMICs; diese versprechen, die passende Lösung zum Problem der Leistungsdichte von Wearables zu bieten.

Die Entwicklung des typischen PMIC-Marktes

Wenn Entwickler von Leistungssystemen an Power-Management-ICs denken, dann stellen sie sich in der Regel große und leistungsstarke Bausteine vor, die für spezifische Prozessorfamilien optimiert sind und von den verschiedenen Prozessorherstellern wie Qualcomm, Nvidia und Intel geschaffen werden.

Solche PMICs sind der ideale Begleiter für deren Prozessor und bieten die richtige Kombination an regelbaren Versorgungsspannungen in einem kleinen Gehäuse, welches die erforderlichen Pfade zur Wärmeableitung bietet – auch angesichts der zu erwartenden Lasten.

Einige weniger verbreitete Prozessoren verfügen nicht über einen PMIC. Kommt jedoch ein Prozessor mit PMIC-Unterstützung zum Einsatz, dann hat das deutliche Vorteile für die Anwendung. In der Tat hat sich der Markt in der Smartphone- bzw. Tablet-Branche auf die Wahl von nur ein oder zwei dominierenden Prozessorfamilien konzentriert.

Für den Wearables-Markt hat sich die Prozessorauswahl nicht im gleichen Ausmaß konsolidiert. Dadurch fehlt Halbleiterherstellern die Möglichkeit, gängige Prozessor-Spezifikationen zu nutzen, an die sie einen neuen PMIC für Wearables anpassen können.

Der OEM-Entwickler sollte erwarten, einen gängigen PMIC zu finden, der genau seinen Anforderungen entspricht. Selbstverständlich könnte ein solcher PMIC, der für den breiten Wearables-Markt einsetzbar ist, für eine bestimmte Applikation entweder nicht alle Systemanforderungen zur Gänze erfüllen oder aber auch nicht notwendigerweise verwendbare Funktionen enthalten.

Ersteres würde zusätzliche separate Leistungskomponenten erfordern, die den Vorteil einer kompakten PMIC-Lösung zunichte machen. Letzteres würde den Eigenverbrauch, die Kosten und die Größe des PMIC unnotwendig erhöhen, was keine optimale Lösung darstellt.

Wenn die Prozessor-Vielfalt den Einsatz eines gängigen Power-Management-ICs nicht ohne weiteres zulässt, dann läst sich dennoch ein Weg zur Regelung des Leistungsbedarfs finden. Bild 1 zeigt den Schaltungsaufbau einer Smart-Watch. Die MCU könnte aus einer sehr großen Auswahl an gängigen Geräten entnommen sein, die einen ARM-Prozessorkern verwenden.

Als Ganzes ist die grundlegende Systemstruktur vielen Smart-Watches gemein, um den gleichen Verbraucheranforderungen für Biometrik- und Umgebungssensorik, Positionsinformationen sowie Verbraucher- und Kommunikationsschnittstellen gerecht zu werden.

Wenn PMIC-Hersteller somit diese gemeinsame Struktur als ihren Standard verwenden, ist es möglich, eine integrierte Lösung für das Leistungssystem von Wearable-Geräten zu entwickeln, die genau oder fast genau dem Energiebedarf von vielen OEM-Produkten entspricht. Hauptprozessor, Bluetooth- und GPS-Module können mit einer 1,8-V-Versorgung arbeiten. In der Regel ist das durch den Einsatz eines Abwärtswandlers möglich.

Andere Funktionsblöcke erfordern eine 3-V-Versorgung. Dazu gehören das Display und die Sensoren wie der Herzfrequenz-Monitor (im Bild 1 durch das Biosensor-Modul des AS7000 von ams dargestellt). Darüber hinaus erfordert ein bürstenloser Gleichstrom-Motor (BLDC), welcher haptische Rückmeldung liefert, eine eigene getrennte Versorgung mit Leistungspulsen.

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Das konventionelle Konzept zum Gestalten dieses Leistungssystems erfordert den Einsatz von mehreren separaten Leistungsbausteinen: ein eigenständiges Akkuladesystem, ein Abwärtswandler für die 1,8-V-Versorgung, ein haptischer Rückmeldungstreiber oder LDO für den BLDC-Motor und ein LDO für das Display und ggf. für Sensoren, die mit einer 3-V-Versorgung arbeiten.

Dieses Konzept verhindert die Miniaturisierung und erfordert viel Platinenfläche innerhalb des Gesamtsystems. Hinzu kommen Probleme bei der Platinenstruktur, etwa Störstrahlung, Bestückungskosten sowie die veringerte Zuverlässigkeit des Gesamtsystems durch das Verwenden vieler Komponenten.

Im Gegensatz dazu ist ein Micro-PMIC leichter in die Konstruktion zu integrieren und bietet eine einfachere Platinenstruktur. Wie dies erfolgen kann, verdeutlicht der Baustein AS3701, ein von ams entwickleter Micro-PMIC für Wearables.

Dieses Bauteil ist für den in Bild 1 gezeigten Systemtyp optimiert. Die gewonnene Platzersparnis ist beträchtlich: Der AS3701 wird in einem 4 mm2 kleinen CSP-Gehäuse mit einem Raster von nur 0,4 mm geliefert. In diesem Gehäuse sind eine voll ausgestattete Akku-Ladeeinheit mit internem Versorgungspfad, mehrere Spannungsversorgungsblöcke, Schutzstrukturen, Start-Sequenz-Programmierung und eine I²C-Schnittstelle zum Prozessor enthalten.

Die erforderliche PCB-Fläche des AS3701 ist platzoptimiert; Bild 2 zeigt die Platinenstruktur für das Wearable aus Bild 1. Drei innenliegende Anschlüsse des AS3701 wurden bewusst entfernt, um Durchkontaktierungen zu vereinfachen.

Wie gut kann ein solcher Micro-PMIC mit minumalisierter PCB-Fläche den komplexen Energiebedarf einer Smart-Watch decken? Im Fall des AS3701A umfassen die mehrfachen Spannungsversorgungsblöcke zwei 200-mA-LDOs, einen 500-mA-Gleichspannungs-Abwärtswandler sowie zwei 40-mA-programmierbare Stromsenken/GPIOs (Bild 3). Wie aus Bild 1 ersichtlich, wird die 5-V-Versorgung zu den LEDs des AS7000 nicht durch den AS3701A bereitstellt; diese erfolgt durch einen separaten Spannungswandler (diskreter Aufwärtswandler).

Der synchrone Abwärtswandler integriert Energiesparfunktionen: Dynamische Spannungsskalierung und wählbare Frequenzen in einem Bereich von 1 bis 4 MHz ermöglichen bestmögliche Effizienz für verschiedene Lastfälle. Bild 4 zeigt die hohe Effizienz für Lasten zwischen 1 und 300 mA.

Rauschen und Entwärmung als weitere Anforderungen

Während Leistungsdichte und lange Akkulaufzeit zu den wichtigsten Anforderungen für das Leistungssystem von Wearables gehören, sind u.a. auch Mindestleistungsanforderungen hinsichtlich Rauschen und Entwärmung zu erfüllen. GPS-Module reagieren bei Spitzenspannung besonders empfindlich auf Netzversorgungsrauschen. 50 mV ist in der Regel der zulässige Höchstwert; der Gleichstromwandler von AS3701A bietet dazu eine große Sicherheitsmarge (Bild 5).

Die meisten Lastanforderungen, die der Micro-PMIC einer Smart-Watch genügen muss, liegen deutlich unter 50 mA. Die Sensoren nehmen tendenziell mehrere 10 µA Strom auf. Dies bedeutet, dass die thermische Belastung so gering ist, dass sie das Micro-PMIC-Gehäuse problemlos bewältigen kann.

Die höchste Spitzenspannung erfordert der BLDC-Motor bei einem Einschaltstrom bis zu 100 mA, der nach dem Start schnell wieder abfällt.

Die anfängliche Einschaltspannung muss zudem hoch genug sein, um den Datenblattanforderungen zu entsprechen. Dafür sorgt der im AS3701 integrierte programmierbare LDO-Regler, der eine breiten Palette an Spannungseinstellungen anbietet. Die entsprechende Programmierung erfolgt via I2C-Schnittstelle, um den Puls-Betrieb des Motors zu realisieren. Dazu wird die Ausgangsspannung dynamisch geändert, sodass Rampen-Effekte und feine Vibrationsprofile möglich sind.

Weitere Vorteile des Micro-PMIC-Konzepts

Die Verwendung eines Micro-PMIC hat zusätzliche Vorteile zu den gezeigten. Dazu gehört die einfache Montage nur eines einzelnen Bauteils. Aber ein Micro-PMIC bietet auch Vorteile in der Bedienung. Bild 6 zeigt einen Screenshot der grafischen Bedienoberfläche, die zusammen mit dem Evaluation-Board des AS3701 geliefert wird. Die GUI ermöglicht Einschalt-Sequenzierung und Konfiguration des Ladevorgangs für eine Vielzahl von Akkutypen. Über die I2C-Schnittstelle können zu jeder Zeit all diese Register vom Prozessor aus überschrieben werden.

* Mark Shepherd ist Field Application Engineer bei ams USA. Thomas Kail ist Produktmanager für Power-Management-Produkte bei ams in Premstätten, Österreich. Stephan Kreszl ist Hardware Application Engineer bei ams, Premstätten.

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