如何通过SIMO电源转换器架构延长可穿戴设备的电池寿命

小型电子产品尽管电池很小，但仍有望长时间运行。对于设计师来说，这是一个艰巨的挑战。本应用笔记探讨了采用独特的SIMO功率转换器架构设计的包含DC-DC转换器的PMIC如何以微小的外形尺寸支持较长的电池寿命。

介绍

无论是耳塞还是智能手表，小型电子产品的运行时间都很长。这带来了一个难题 对于设计师来说，因为较小的电池显然具有较小的容量。然而，撇开性能预期不谈，功率 这些应用的电源必须支持子系统内不同且多样化的电压要求 设计。这就是基于单电感多输出（SIMO）功率转换器的开关稳压器 建筑可以提供帮助。结合SIMO架构和低静态电流的稳压器可以扩展 空间受限电子产品的电池寿命。

降压-升压 SIMO 转换器的优势

让我们仔细看看SIMO架构如何适用于降压-升压稳压器。如果我们考虑传统的 多开关稳压器拓扑结构，我们可以看到每个开关稳压器都需要一个单独的电感（图 1）。 然而，由于电感器体积大且成本高昂，因此这种方法不适用于小型产品。线性 稳压器是另一种选择——虽然它们确实具有更高的功耗，但它们结构紧凑、快速且噪声低。 还有一种基于多个低压差稳压器 （LDO） 和 DC-DC 转换器的混合方法。虽然这 配置产生中等功率和散热，它还产生比单独 LDO 更大的设计。

图1.降压-升压开关稳压器的传统架构。

降压-升压SIMO转换器的优点是它可以在宽输出范围内调节多达三个输出电压 使用单个电感器的电压范围。降压-升压拓扑还提供比 仅降压的西莫。此外，当一个或多个输出电压接近输入电压时，仅降压SIMO的弱点就会被放大。此时，仅降压的SIMO将需要电感器花费太多时间，从而影响其他通道。

有时，您无法避免系统中使用电感器。LDO虽然很小，但永远无法提供提升 功能本身。由于 SIMO 架构只需要一个电感，因此需要至少一个升压的解决方案 使用降压-升压SIMO时，电压几乎总是更好。图 2 提供了 SIMO 架构的框图。

图2.SIMO架构框图。

电感饱和电流（I坐） 是电感降至 70% 时的电流量度 它的价值。我坐由给定磁芯材料和结构的电感磁芯尺寸决定。与使用 独立的 DC-DC 转换器，在 SIMO 架构中使用单个电感器的方法具有许多优点，包括 以后：

更少的高 Z 高度组件

占地面积更小

时间多路复用，当不同的特征通常不会同时使用时出现。这个优势 当总电源电流小于各个输出要求的总和时，变得很明显。例如，当您有使用不同轨电压按顺序发生的事件时，请考虑一下。某些蓝牙系统中的数据可以在激活功能之前下载。因此，与无线电关联的电源打开时间与激活功能的时间不同。所以，总 I坐所需的SIMO电感器可以低于要求 用于单独的转换器。

RMS（电感的额定电流）—通道不是时间多路复用的，但特性的峰值功耗通常不会同时发生，这会降低总电感I坐要求

解决 SIMO 架构权衡问题

使用 SIMO 架构进行设计的深思熟虑的方法对于最大限度地减少任何方法自然发生的权衡的影响至关重要。因为单个电感器本质上是提供能量桶来交替 输出方面，输出电压纹波趋于较高也就不足为奇了。此外，当 SIMO 负载较重时，它可能会受到时间限制，并且为每个通道提供服务可能会有延迟，这可能会进一步增加 输出电压纹波。为了帮助抵消这些输出电压纹波源，请使用更大的输出电容;与添加相比 用于独立 DC-DC 转换器的电感器，这仍然保持了净占位面积/BOM 优势。

回到我们对小型电子设备的讨论，例如耳戴式设备和可穿戴设备，电源管理IC（PMIC） 采用微功耗设计的SIMO降压-升压DC-DC转换器可以提供延长电池寿命的有效手段。由 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，例如 转换器可以产生高于、低于或等于输入电压的输出电压。具有以下功能 可编程每个输出的峰值电感电流，效率、输出纹波、电磁之间的平衡 可以优化设计的干扰 （EMI）、PCB 设计和负载能力。

Maxim的MAX77650和MAX77651 PMIC采用微功耗SIMO降压-升压DC-DC转换器设计。PMIC 包括 集成 150mA 低压差稳压器 （LDO），可为噪声敏感型应用提供纹波抑制。要最小化 总线信号上的串扰和下冲，可选电阻 （24Ω） 与串行数据线 （SDA） 和串行串联 时钟线 （SCL），还可保护器件输入免受总线线路上高压尖峰的影响。这些中的每个块 稳压器具有低静态电流 （每路输出 1μA），有助于延长电池寿命。因为这些PMIC 始终在非连续导通（DCM）模式下工作，电感电流在每个周期结束时变为零至 进一步减少串扰并防止振荡。SIMO控制方案中的专有控制器在这些 转换器确保及时为所有输出提供服务。当所有调节器都不需要维修时， 状态机只是处于低功耗静止状态。当控制器注意到监管机构需要维修时， 它为电感充电，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，则 控制器确保没有输出利用所有开关周期。相反，循环在所有之间交错 需要服务的输出，跳过那些不需要服务的输出。

功耗比较：SIMO 与传统架构

MAX77650电源树框图如图3所示。四个负载中的三个连接到Li+电池 通过高效SIMO开关稳压器。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提供了传统功率性能的比较 架构和 SIMO 架构。评估板可用于MAX77650和MAX77651。

为了帮助您探索与SIMO参数相关的权衡，MAX77650产品页面的设计资源选项卡中提供了SIMO计算器。计算器是一个基于电子表格的工具。只需输入系统参数 在“计算器”选项卡行顶部的相应值单元格中。该工具以黄色突出显示 被认为是最有趣的计算值。如果工具确定参数在外部 在正常区域中，该工具会以红色突出显示单元格。评论部分包括有关增强方法的指导 您的设计。

图3.MAX77650电源树，包含每个稳压器的输出电压、负载电流、效率和功耗。

表 1.SIMO 架构与传统架构的功耗性能对比

 

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%
最低LI+电池电压	3.4V （由于 3.3V LDO	2.7V	SIMO允许更多的放电

 

总结

本应用笔记研究了SIMO架构，并解释了带有SIMO开关稳压器的PMIC如何 延长空间受限电子设备的电池寿命。

审核编辑：郭婷