SIMO技术初探

可穿戴设备是一个美妙的概念，它可以让电子设备在尽可能减少异物感的前提下，与用户更“亲密”地融合在一起，并且提供所需的功能。但是从一开始，可穿戴设备就被一个难题所困扰——如何能够在足够轻薄的外形下，集成足够多的功能，且电力（通常为电池供电）续航还要足够长。  

想一想我们的抽屉里，有多少当初兴冲冲入手，如今却在默默接灰的可穿戴设备？它们之所以会被弃用，其中很重要的一个原因就是续航能力差强人意。连一贯傲娇的苹果，当年都曾因为Apple Watch不足一天的待机时间遭到群嘲，可想而知应对“更小的体积、更长续航”这个可穿戴设计的难题，并不容易。

在解决这一难题中，PMIC（电源管理集成电路）的选择是关键中的关键。PMIC的作用是将传统的多路输出电源封装在一颗芯片内，在为设备中不同功能电路提供高效率的电源转化的同时，更是具备高集成、小型化的优势。

不过，到了可穿戴设备这种要求更为苛刻的应用场景中，传统的PMIC仍然会感到“不适应”，于是PMIC厂商在产品设计上针对可穿戴应用做了不少优化，这些“为可穿戴而生”的PMIC也各具特色。而其中，Maxim Integrated推出的基于单电感多输出（SIMO）电源转换器技术的PMIC，尤其显得独树一帜，很值得深入了解一番。

SIMO技术初探  

想要参透SIMO PMIC的奥妙之处，首先要来说说这个“SIMO”技术。

大家知道，如果单纯从外形上考虑，LDO线性稳压器是最具优势的电源管理器件，它速度快、尺寸小且噪声低，但是由于功耗较大，且不能实现升压转换，所以并不是可穿戴设备电源管理问题的完美解决方案。为了获得较高的电源转换效率，DC-DC开关稳压器在PMIC中被广泛应用。但是在传统的多通道DC-DC开关稳压器中，每个开关调节器都需要一个独立的电感（如图1），这些电感物理尺寸大、成本高，对于小尺寸设计非常不利。于是，有人提出了一种使用多路LDO与DC-DC转换器相配合的混合方案，尽管这种配置的功耗和散热处于中等水平，但设计尺寸仍然大于单独的LDO结构……这种“鱼和熊掌不可兼得”的局面，确实让人很纠结。

图1：传统架构的多路升/降压DC-DC开关调节器，需要多个电感（图源：Maxim）

而SIMO技术的出现，打破了这一僵局。与传统开关稳压器应用中为每个DC-DC转换器都配备一个专属电感不同，SIMO技术是让多个转换器共享一个电感——可支持多达三路输出电压——通过减少个头大、成本高的电感入手，大大减少了系统的体积（如图2）。

这种“共享电感”的设计是通过一个专有的控制器来实现的，它确保所有输出都能够及时达到能量支持。在任何通道的调节器都没有要求能量支持的情况下，状态机会停留在低功耗状态。一旦控制器识别出某个调节器需要伺服，则会对电感充电，直到达到峰值限流值。接下来，电感电能对相关输出进行放电，直到电流达到零。如果多路输出通道同时要求伺服，控制器可确保没有任何输出独占开关周期，而是在要求伺服的输出之间交替分配开关周期，不需要伺服的输出将被跳过。

图2：SIMO架构实现了多个DC-DC开关调节器共享一个电感（图源：Maxim）

SIMO架构还带来了另外一个好处。在这种时间复用的机制下，多数情况中，系统的不同功能并非同时使能，因此不会产生各个功能电路功耗峰值叠加的情况，这使得SIMO架构对电感饱和电流Isat的要求小于单个转换器要求的电流。这对于电感的选型，无疑会带来很大的灵活性。

可以说，SIMO架构在低功耗和小尺寸之间找到了一个最佳平衡点。众所周知，低功耗对于散热受限的小尺寸应用极其重要，图3中对于不同类型的电源管理技术热能的耗散进行了比较，可以看到，与带有多个LDO的DC-DC转换器或简单的多路DC-DC转换器相比，Maxim Integrated基于SIMO技术的MAX77650 PMIC在散热和尺寸方面优势明显。

图3：可穿戴应用中，不同电源管理架构散热和尺寸特性的比较（图源：Maxim）

此外，Maxim Integrated在SIMO PMIC的设计中，还提供了转换器的每路升压/降压输出的可编程配置，由于每路输出的峰值电感电流可编程，可优化效率、输出纹波、EMI、PCB设计及负载能力，达到最佳平衡。同时SIMO架构也提供软启动功能，可以最大程度降低浪涌电流。

当然，SIMO架构也并非没有缺点，比如：由于单电感交替为输出提供能量，输出电压纹波往往较高；SIMO在重载时，受限于时间，在伺服每路通道时可能有延迟，会进一步加剧输出电压纹波。不过，较高的输出电压纹波可以通过较大的输出电容来抵消，即使这样，基于SIMO的系统方案仍然具有占板面积小、BOM简化的优势。总之，利弊相较，终归瑕不掩瑜，这也使得SIMO PMIC成为可穿戴电源系统设计中的一个重要技术选项。

下一代SIMO PMIC  

正是因为SIMO架构鲜明的特点和优势，Maxim Integrated近年来一直在这个方向上着力，开发出多款PMIC，形成了非常完整的产品组合。今年，Maxim Integrated最新推出的新一代产品MAX77654，更是将SIMO架构的小尺寸、低功耗的优势发挥得淋漓尽致。

图4：新一代SIMO PMIC产品MAX77654

小尺寸

利用SIMO架构取代3路升/降压转换器及3个电感，克服空间受限的挑战。

内置2路LDO/负载开关、1个电池充电器以及附加无源器件，集成度更高。

相比分立方案，系统方案尺寸减小50%，元件数量减少40%，BOM成本降低23%。

低功耗

MAX77654的工作效率可达91%，电池寿命延长20%，大幅提升终端用户体验。

器件的关断电流低于500nA，5路调节器仅消耗6μA电源电流。

具有较低发热，可将系统电路板的温度降低20°C以上。

图5：新一代SIMO PMIC产品MAX77654框图

设计实例研究  

如果你觉得上面的描述还不够直观，下面我们就通过一个具体的智能手表电源管理系统的设计实例，来看看MAX77654可以为可穿戴设计带来哪些价值。

图6是一个典型的普通智能手表电源管理系统的架构，包括一颗PMIC用来实现电池充电器、降压转换器（为微控制器供电）和LDO（为屏幕供电）。第二片IC是一颗双通道LDO，为传感器和Bluetooth供电。

图6：典型的双芯片智能手表电源管理系统的架构（图源：Maxim）

图7是典型双芯片智能手表电源管理系统完整的电源网络。可以看到，在这个架构中由于大量使用了LDO，导致总体效率仅为73.8%。

图7：典型双芯片智能手表完整的电源网络（图源：Maxim）

让我们再来看看基于MAX77654的电源系统的设计。从图8中可以看出，由于MAX77654的高集成性，一个突出的变化就是系统主架构由双芯片变成了单芯片，大为简化。

图8：采用MAX77654的单芯片智能手表电源管理系统的架构（图源：Maxim）

由此，也带来了整个电源网络架构的变化。在PMIC驱动的五个负载中，三个负载直接由高效SIMO开关调节器供电；第四和第五个负载的LDO也由SIMO供电，得益于低压差（2V至1.8V），效率可达到90%，总体系统效率也可达86.2%。

图9：采用MAX77654的单芯片智能手表完整的电源网络（图源：Maxim）

下面，我们再对两个方案的尺寸进行一个比对。

采用基于SIMO架构的MAX77654 PMIC的系统方案，电路板面积仅需19.2mm2，比普通实现方法减少了41%。

而典型方案中，与PMIC方案相比，其集成度更低，使用了多个LDO以及较大的无源元件，电路板面积大约为32.4mm2，比SIMO方案大69%。

图10：典型方案与采用MAX77654 PMIC方案的系统电路板面积的比较（图源：Maxim）

结论显而易见：采用SIMO架构的MAX77654 PMIC方案，在空间利用率和电源效率方面都有显著的优势。

表1：SIMO相对于传统方案的优势（资料来源：Maxim）

看了上面的比对，可见Maxim将MAX77654定义为“下一代PMIC”，这样的描述并不为过。在可穿戴设计开发的赛道上，MAX77654确实为你提供了一款新“装备”，让你可以更任性地驰骋，而不再被尺寸和功耗间两难的选择束住手脚。