使用SIMO延长耳戴式设备的使用寿命

集成度低的典型耳戴式解决方案会导致PCB空间和功耗方面的效率低下。另一方面，单输入多输出（SIMO）架构可以在更小的空间内有效地提供更多功率，从而为耳戴式设备提供更长的电池寿命和更小的外形尺寸。

介绍

耳戴式设备是无线立体声耳塞和健身监测交叉的新兴市场。然而，小尺寸加剧了电子产品的小型化挑战，并对电池寿命提出了额外的挑战。该设计解决方案提供了一种创新的电源管理系统，可在非常小的空间内高效供电，同时为小型化耳戴式设备提供更长的电池寿命。

典型电源管理实现

典型的耳戴式电源管理系统如图2所示。电源管理 IC （PMIC） 使用电池充电器、降压转换器和 LDO 为传感器供电。第二个IC，一个双LDO，为微控制器、蓝牙和音频供电。为简单起见，未显示外部无源器件。®

图2.典型的耳戴式功率流程图。

典型的电源树

典型实现的完整电源树如图3所示。大量使用LDO导致整体效率仅为69.5%。

图3.典型的耳戴式功率流程图。

典型解决方案尺寸

图2中功率流图的所有有源和无源组件都包含在图4所示的解决方案中。

这种典型的耳戴式解决方案占用约41.5mm的PCB面积2.相对较低的集成度以及使用多个LDO和更大的无源器件导致解决方案在空间和功耗方面效率低下。

图4.典型的耳戴式解决方案（41.5mm2).

创新解决方案

图5所示的电源管理IC （MAX77650）在一个芯片中集成了为传感器（3.3V）、微控制器（1.2V）、蓝牙和音频（1.85V）供电所需的电池充电器和稳压器。小型PMIC消除了与使用多个封装相关的空间浪费。SIMO降压-升压稳压器实现了三个利用单个电感的开关稳压器，从而减少了必要的空间。此外，高频操作允许使用小电感器，进一步减少所需空间。板载一个 LDO 用于噪声敏感负载。为简单起见，未显示外部无源器件。

图5.MAX77650高度集成的PMIC。

MAX77650电源树

图6显示了PMIC功率树以及每个稳压器的输出电压、负载电流、效率和功耗（PD）。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）。整体系统效率高达78.4%。

表1显示了两种解决方案的电源性能比较。

图6.MAX77650电源树

 

参数	传统解决方案	西莫	西莫优势
Li+ 电池电流	49毫安	43.4毫安	SIMO 节省 5.6mA 电流
系统效率	69.5%	78.4%	SIMO 效率提高 8.9%
最小Li+电池电压	3.4V （由于 3.4 LDO	2.7V	SIMO允许更多的放电

 

SIMO解决方案的卓越效率可显著降低电池消耗，而其更宽的工作范围（低至2.7V）可延长耳戴式设备的无限制运行。

西莫转换器

图7显示了SIMO转换器的框图（除电感外，所有元件均集成在一起）。这种架构的美妙之处在于它能够集成三个利用单个电感的开关稳压器。开关稳压器以最小的损耗提供功率，巧妙的架构消除了为每个开关稳压器配备一个电感的需要。

图7.西莫电源框图。

电感均流

在迟滞、不连续电流控制模式下，电感以 V 的速率在 M1 和 M4 “导通”时建立电流在/L.当达到设定限值时，电流通过M2和M3_x晶体管输送到所选输出，如图8所示。输出按照其输出比较器要求的顺序提供服务。

图8.SIMO 电流波形。

降压-升压架构优势

将耳戴式设备与标准立体声蓝牙耳机区分开来的主要特征之一是集成了一个或多个光学或惯性MEMS传感器。光学传感器利用集成 LED 的反射来测量血氧、脉搏率或其他生命体征。为了产生足够的光强度，LED需要在比Li+电池的典型范围更高的电压范围内运行（4V至5V）。设计人员面临着一个艰难的选择：为系统增加一个降压-升压，这需要另一个IC;增加另一个电感器和更多的电容器，这占用了宝贵的空间和体积;或者牺牲信噪比，并冒着测量不准确和用户体验不佳的风险。SIMO降压-升压架构通过使用任何一个设置为所需电压（高达5.5V）的输出来驱动LED并优化传感器性能，从而解决了这个问题。

在更小的空间内延长电池寿命

得益于其SIMO开关稳压器和高效偏置LDO，小型MAX77650 PMIC （2.75mm x 2.15mm x 0.8mm WLP）可在不到典型方案一半的PCB空间内以最小的损耗提供功率。图 9 中的解决方案布局考虑了所有有源和无源组件。

图9.MAX77650方案（19.2mm2)

总占用电路板空间仅为 19.2mm2.此外，MAX77650待机模式下仅消耗300nA电流，工作模式下仅消耗5.6μA电流。这节省了宝贵的电池寿命，并允许使用尽可能小的电池，同时延长每次充电之间的使用时间，从而再次有助于减小系统尺寸。

审核编辑：郭婷