高性能PMICが常時稼働ウェアラブルとIoTデバイスを実現

動き続けるウェアラブルを設計するには、コンパクトなフォルム、洗練された美観、そして何より電力効率の融合が必要です。これらの要求を満たすため、エンジニアはバッテリー寿命を延ばしながらデバイスを軽量かつ快適に保つ、微小で高度に統合された電力管理IC（PMIC）に注目しています。これらのICは、健康指標を追跡したりIoTに接続したりするウェアラブルに不可欠な、継続動作、スムーズなデータ収集、信頼性の高い接続を可能にします。

多くのヘルスケア ウェアラブルの基盤である光学センシング精度は、基盤となる電力アーキテクチャに大きく依存します。超低消費電力PMICは、ノイズを最小化し電圧調整を最適化するよう設計されており、光容積脈波（PPG）やその他の光学測定の感度を高めます。リストバンド型フォームファクタでは、動作中や周囲光条件の変化下でも、より精密なバイタルサイン測定が可能になります。

過去10年間でウェアラブル センサーの数は急増し、医療費の上昇、「健康志向」の拡大、オンライン健康データの普及が背景にあります。消費者が即時的で実用的な洞察を求める期待が高まるにつれ、音声認識、ジェスチャー制御、継続監視などの高度な機能、特にそれらが要求する高い電力需要を支えられる信頼性の高いエレクトロニクスの必要性も高まっています。

従来のリチウムイオン（Li-ion）電池は低消費電力ウェアラブルにはまだ対応できますが、高性能デバイスに必要な電力密度を満たすのに苦労しています。業界はしたがって、より小型・薄型パッケージと、急速充電、効率的な電圧変換、包括的な安全監視をサポートする次世代統合電力管理回路へと移行しています。

ウェアラブルのPCB設計は、材料選定と電磁両立性（EMC）要件のバランスを取る必要があります。厳密なインピーダンス制御と入念なトレース ルーティングは、クリーンな信号伝播、干渉低減、全体的なデバイス整合性の維持に不可欠です。

PMICアーキテクチャ

典型的なウェアラブル アーキテクチャは、システムオンチップ（SoC）、メモリ、ディスプレイ、センサー、電力管理ブロックを統合します。電力システムには通常、充電器、降圧コンバータ、低ドロップアウト レギュレータ（LDO）が含まれ、BluetoothやWi-Fiモジュールに給電します。主要な設計課題は熱放散とバッテリー サイジングで、両方とも適切なPMIC選定にかかっています。

ほとんどのシステムでは、充電器と複数の制御出力が必要です（例：マイコンと通信インターフェース向けの3.3Vと1.2V電源バス）。PMIC内の高度に設定可能なリニア負荷は、幅広いLi-ionケミストリーに対応し、バッテリー温度監視で安全性を強化。双方向I²Cインターフェースで設計者はデバイスの設定とステータス監視が可能、統合スーパーバイザが信頼性の高い動作を保証します。

スイッチング レギュレータ（降圧と昇圧）が最高効率を発揮し、低電圧LDOは低ノイズ アプリケーションで好まれます。最適なサプライ チェーンはスイッチング電源のみに依存することが多いですが、各スイッチにはインダクタが必要で、PCB面積とデバイス厚を増やす原因になります。

これらの制約を調和させるため、多くの設計はシングル入力マルチ出力（SIMO）アーキテクチャを採用し、複数の電源バスを1つのICに統合します。SIMO PMICは、スタンバイ電流を低く抑えながら複数の制御レールを提供し、バッテリー寿命を延ばし、冗長コンポーネントを排除してBOMを削減します。

例えば、Maxim IntegratedのMAX20310は、2つのSIMO昇降圧出力、2つのLDO、シーケンシング コントローラを統合。そのリニア レギュレータは電源スイッチとしても機能し、非アクティブなペリフェラルを切り離して全体効率を向上させます（図1参照）。

図1：MAX20310のブロック図。（画像：Maxim Integrated）