SIMO开关稳压器：延长耳戴式设备和可穿戴设备的电池寿命

消费者希望耳戴式设备、可穿戴设备和其他超小型电子设备的电池寿命很长，尽管它们的外形很小。然而，很明显，设备尺寸确实限制了电池容量。本文讨论如何使用基于单电感多输出（SIMO）功率转换器架构的开关稳压器来节省部分空间。SIMO架构以及稳压器的低静态电流使IC能够延长空间受限电子产品的电池寿命。

本文将帮助您更深入地了解 SIMO 技术及其工作原理。您 还 将 了解 采用 SIMO 稳压器 的 电源 管理 IC （PMIC） ， 该 IC 可 降低 功耗 和 整体 元件 数量， 同时 在 不到 一半 的 空间 内 提供 传统 解决 方案 的 相同 功能。

介绍

满足微型设备的电池寿命需求

当您戴上耳塞进行长途徒步旅行或下午处理大型项目时，您不希望因不得不停下来为听筒充电而被打断。您希望耳戴式设备、可穿戴设备和其他小型电池供电电子设备能够长时间可靠地运行。

从设计的角度来看，这些用户期望是一项艰巨的任务。外形尺寸限制决定了对小型Li+电池的需求，该电池必须在充电周期之间持续很长时间并且谨慎使用。反过来，电源必须满足设计中子系统的不同电压要求。

SIMO架构为这些系统提供了最佳解决方案，集成了原本需要多个分立元件的功能。让我们仔细看看什么是SIMO架构，以及它如何适用于降压-升压稳压器。

SIMO 架构概述

在传统的开关稳压器拓扑中，每个开关稳压器需要为每个输出配备一个单独的电感器（图 1），因为每个电压轨必须由一个单独的电感器提供服务。电感器外形大且成本高，因此对于小尺寸产品来说，这是一个缺点。线性稳压器提供了另一种选择——它们快速、紧凑、低噪声，但也有损耗。还有一种混合替代方案，即与DC-DC转换器结合使用多个低压差稳压器（LDO）。然而，虽然这种配置会导致中等功率和散热，但它仍然会产生比单独使用LDO更大的设计。

图1.降压-升压开关稳压器的传统架构。

精选的降压-升压 SIMO 转换器可使用单个电感器在宽输出电压范围内调节多达三个输出电压。降压-升压拓扑有助于更好地利用电感，因为与仅降压的SIMO相比，它需要更少的时间来维护每个通道。 仅降压SIMO的弱点随着一个或多个输出电压接近输入电压而放大。当输出电压接近电池电压时，仅降压的SIMO将受到影响。此时，纯降压SIMO需要电感器花费太多时间，这会影响其他通道。

有时，系统中无法避免使用电感器。即使它们很小， LDO本身永远无法提供升压功能。由于SIMO只需要一个电感器，因此使用降压-升压SIMO几乎总是需要至少一个升压电压的解决方案更好。

图2.SIMO架构框图。

电感饱和电流（Isat）是电感下降到对应于特定电流的一定百分比的量度，与给定磁芯材料和结构的电感磁芯尺寸成正比。与使用单独的 DC-DC 转换器相比，在 SIMO 架构中使用一个电感器具有多种优势：

当系统允许时，您可以更好地利用 Z 高度

与传统解决方案相比，您不必使用那么多的电感器，因此节省了成本并改善了占位面积

时间多路复用，当不同的功能通常不会同时使用时。当总电源电流小于各个输出要求的总和时，这种优势就会显现出来。例如，您可能有使用不同轨道电压按顺序发生的事件。例如，在某些蓝牙系统中，可以在激活功能之前下载数据。这意味着与无线电相关的电源与激活功能打开的时间不同。因此，SIMO电感所需的总Isat小于单独转换器所需的总Isat。

RMS（电感的额定电流）—即使通道不是时间多路复用的，特性的峰值功耗通常也不会同时发生，这也会降低电感器的总Isa要求

克服 SIMO 架构的妥协

使用 SIMO 架构并非没有权衡。因此，深思熟虑的设计方法很重要。例如，输出电压纹波通常会更高，因为只有一个电感器为交替输出提供能量桶。此外，由于SIMO负载较重，因此具有时间限制，并且每个通道的维修时间可能会延迟，这会进一步增加输出电压纹波。使用较大的输出电容可以抵消这些输出电压纹波源，同时保持净占位面积/BOM 优势。

Maxim的新型电源管理IC（PMIC）MAX77650和MAX77651在这些权衡之间实现了谨慎的平衡。 这些PMIC采用微功耗SIMO降压升压DC-DC转换器设计。PMIC中集成了150mA低压差稳压器（LDO），为音频等噪声敏感型应用提供纹波抑制。可选电阻 （24Ω） 与串行数据线 （SDA） 和串行时钟线 （SCL） 串联，可最大限度地减少总线信号上的串扰和下冲，同时保护器件输入免受总线线路上高压尖峰的影响。这些稳压器中的每个模块都具有低静态电流 （每路输出 1μA），这有助于延长最终应用的电池寿命。由于IC始终以非连续导通（DCM）模式工作，电感电流在每个周期结束时变为零，以进一步减少串扰并防止振荡。

SIMO转换器利用整个电池电压范围，因为每个输出都具有降压-升压配置的优点，其产生的输出电压高于、低于或等于输入电压。由于每个输出的峰值电感电流是可编程的，因此您可以优化效率、输出纹波、电磁干扰 （EMI）、PCB 设计和负载能力之间的平衡。这些 IC 在 3.3V 输出时的额定效率超过 85%。

这种 SIMO 架构在低功耗和外形尺寸之间找到了最佳平衡。低功耗对于无法散发大量热量的非常小的应用非常重要。图3给出了MAX77650 PMIC在散热和外形尺寸方面与采用具有多个LDO或多个DC-DC转换器的DC-DC转换器相比的最佳选择。

图3.MAX77650 PMIC具有低散热和小尺寸 空间受限的电池供电设备，如耳戴式设备和可穿戴设备。

MAX77650/1中的SIMO控制方案涉及一个专有控制器，确保所有输出得到及时的服务。如果没有任何需要维修的稳压器，状态机将处于低功耗状态。一旦控制器识别出稳压器需要维修，它就会对电感进行充电，直到达到峰值电流限值。随后，电感能量放电到相关输出，直到电流达到零。如果多个输出通道需要同时维修，控制器可确保没有输出占用所有开关周期。相反，发生的情况是，周期在所有需要服务的输出之间交错。跳过不需要服务的输出。

SIMO 架构还提供软启动功能，可将浪涌电流降至最低。这种软启动功能是通过限制启动期间输出电压的压摆率来实现的。为了完全、及时地关断系统外设，每个 SIMO 降压-升压通道都有一个主动放电功能，该功能会根据 SIMO 稳压器的状态为每个 SIMO 通道自动独立启用（主动放电功能也可以通过 I2C).

电源性能：SIMO 与传统架构的比较

图4所示为可能使用MAX77650的电源树框图。如您所见，四个负载中的三个通过高效SIMO开关稳压器连接到Li+电池。第四个负载由LDO从2.05V SIMO输出供电，效率达到90.2%（1.85V/2.05V）。表 1 比较了传统架构和 SIMO 架构之间的电源性能。（有关其他见解，请参阅下面的“了解更多”部分中包含的设计解决方案“使用SIMO延长耳戴式设备使用寿命”链接。

图4.MAX77650 PMIC具有低散热和小尺寸 空间受限的电池供电设备，如耳戴式设备和可穿戴设备。

 

参数	传统解决方案	西莫	西莫优势
Li+ 电池电流	49毫安	43.5毫安	SIMO 节省 5.6mA 电流
系统效率	69.5%	78.4%	SIMO 效率提高 8.9%
最低Li+电池电压	3.4V （由于 3.3V LDO	2.7V	SIMO允许更多的放电

 

SIMO 计算器可帮助您探索与 SIMO 参数相关的权衡。有关计算器的链接，请参阅下面的“了解更多”部分。

SIMO输出电压纹波是以下因素的函数：

输出电容器

电感

输出电压设置

峰值电流限制设置

SIMO可用输出电流是以下因素的函数：

输入电压

输出电压

峰值电流限制设置

其他 SIMO 通道的输出电流

SIMO开关频率是以下因素的函数：

输入电压

输出电压

峰值电流限制

电感

在这个基于电子表格的工具的计算器选项卡上，您只需在行顶部的相应值单元格中输入系统参数即可。被视为最有趣的计算值以黄色突出显示。如果认为某个参数在正常区域之外，则该单元格将以红色突出显示。注释部分提供了有关增强设计的方法的指导。

总结

对于耳戴式设备、可穿戴设备以及类似的小型电池供电电子产品，较长的电池寿命对于客户满意度至关重要。与传统的降压-升压拓扑相比，SIMO架构减少了元件数量，并通常延长了电池寿命。本文研究了与SIMO开关稳压器集成的PMIC，这些PMIC非常适合应对超低功耗、空间受限应用的挑战。

审核编辑：郭婷