消費者希望耳戴式設備、可穿戴設備和其他超小型電子設備的電池壽命很長，盡管它們的外形很小。然而，很明顯，設備尺寸確實限制了電池容量。本文討論如何使用基于單電感多輸出（SIMO）功率轉換器架構的開關穩壓器來節省部分空間。SIMO架構以及穩壓器的低靜態電流使IC能夠延長空間受限電子產品的電池壽命。

本文將幫助您更深入地了解 SIMO 技術及其工作原理。您 還 將 了解 采用 SIMO 穩壓器 的 電源 管理 IC （PMIC） ， 該 IC 可 降低 功耗 和 整體 元件 數量， 同時 在 不到 一半 的 空間 內 提供 傳統 解決 方案 的 相同 功能。

介紹

滿足微型設備的電池壽命需求

當您戴上耳塞進行長途徒步旅行或下午處理大型項目時，您不希望因不得不停下來為聽筒充電而被打斷。您希望耳戴式設備、可穿戴設備和其他小型電池供電電子設備能夠長時間可靠地運行。

從設計的角度來看，這些用戶期望是一項艱巨的任務。外形尺寸限制決定了對小型Li+電池的需求，該電池必須在充電周期之間持續很長時間并且謹慎使用。反過來，電源必須滿足設計中子系統的不同電壓要求。

SIMO架構為這些系統提供了最佳解決方案，集成了原本需要多個分立元件的功能。讓我們仔細看看什么是SIMO架構，以及它如何適用于降壓-升壓穩壓器。

SIMO 架構概述

在傳統的開關穩壓器拓撲中，每個開關穩壓器需要為每個輸出配備一個單獨的電感器（圖 1），因為每個電壓軌必須由一個單獨的電感器提供服務。電感器外形大且成本高，因此對于小尺寸產品來說，這是一個缺點。線性穩壓器提供了另一種選擇——它們快速、緊湊、低噪聲，但也有損耗。還有一種混合替代方案，即與DC-DC轉換器結合使用多個低壓差穩壓器（LDO）。然而，雖然這種配置會導致中等功率和散熱，但它仍然會產生比單獨使用LDO更大的設計。

圖1.降壓-升壓開關穩壓器的傳統架構。

精選的降壓-升壓 SIMO 轉換器可使用單個電感器在寬輸出電壓范圍內調節多達三個輸出電壓。降壓-升壓拓撲有助于更好地利用電感，因為與僅降壓的SIMO相比，它需要更少的時間來維護每個通道。 僅降壓SIMO的弱點隨著一個或多個輸出電壓接近輸入電壓而放大。當輸出電壓接近電池電壓時，僅降壓的SIMO將受到影響。此時，純降壓SIMO需要電感器花費太多時間，這會影響其他通道。

有時，系統中無法避免使用電感器。即使它們很小， LDO本身永遠無法提供升壓功能。由于SIMO只需要一個電感器，因此使用降壓-升壓SIMO幾乎總是需要至少一個升壓電壓的解決方案更好。

圖2.SIMO架構框圖。

電感飽和電流（Isat）是電感下降到對應于特定電流的一定百分比的量度，與給定磁芯材料和結構的電感磁芯尺寸成正比。與使用單獨的 DC-DC 轉換器相比，在 SIMO 架構中使用一個電感器具有多種優勢：

當系統允許時，您可以更好地利用 Z 高度

與傳統解決方案相比，您不必使用那么多的電感器，因此節省了成本并改善了占位面積

時間多路復用，當不同的功能通常不會同時使用時。當總電源電流小于各個輸出要求的總和時，這種優勢就會顯現出來。例如，您可能有使用不同軌道電壓按順序發生的事件。例如，在某些藍牙系統中，可以在激活功能之前下載數據。這意味著與無線電相關的電源與激活功能打開的時間不同。因此，SIMO電感所需的總Isat小于單獨轉換器所需的總Isat。

RMS（電感的額定電流）—即使通道不是時間多路復用的，特性的峰值功耗通常也不會同時發生，這也會降低電感器的總Isa要求

克服 SIMO 架構的妥協

使用 SIMO 架構并非沒有權衡。因此，深思熟慮的設計方法很重要。例如，輸出電壓紋波通常會更高，因為只有一個電感器為交替輸出提供能量桶。此外，由于SIMO負載較重，因此具有時間限制，并且每個通道的維修時間可能會延遲，這會進一步增加輸出電壓紋波。使用較大的輸出電容可以抵消這些輸出電壓紋波源，同時保持凈占位面積/BOM 優勢。

Maxim的新型電源管理IC（PMIC）MAX77650和MAX77651在這些權衡之間實現了謹慎的平衡。 這些PMIC采用微功耗SIMO降壓升壓DC-DC轉換器設計。PMIC中集成了150mA低壓差穩壓器（LDO），為音頻等噪聲敏感型應用提供紋波抑制。可選電阻 （24Ω） 與串行數據線 （SDA） 和串行時鐘線 （SCL） 串聯，可最大限度地減少總線信號上的串擾和下沖，同時保護器件輸入免受總線線路上高壓尖峰的影響。這些穩壓器中的每個模塊都具有低靜態電流 （每路輸出 1μA），這有助于延長最終應用的電池壽命。由于IC始終以非連續導通（DCM）模式工作，電感電流在每個周期結束時變為零，以進一步減少串擾并防止振蕩。

SIMO轉換器利用整個電池電壓范圍，因為每個輸出都具有降壓-升壓配置的優點，其產生的輸出電壓高于、低于或等于輸入電壓。由于每個輸出的峰值電感電流是可編程的，因此您可以優化效率、輸出紋波、電磁干擾 （EMI）、PCB 設計和負載能力之間的平衡。這些 IC 在 3.3V 輸出時的額定效率超過 85%。

這種 SIMO 架構在低功耗和外形尺寸之間找到了最佳平衡。低功耗對于無法散發大量熱量的非常小的應用非常重要。圖3給出了MAX77650 PMIC在散熱和外形尺寸方面與采用具有多個LDO或多個DC-DC轉換器的DC-DC轉換器相比的最佳選擇。

圖3.MAX77650 PMIC具有低散熱和小尺寸 空間受限的電池供電設備，如耳戴式設備和可穿戴設備。

MAX77650/1中的SIMO控制方案涉及一個專有控制器，確保所有輸出得到及時的服務。如果沒有任何需要維修的穩壓器，狀態機將處于低功耗狀態。一旦控制器識別出穩壓器需要維修，它就會對電感進行充電，直到達到峰值電流限值。隨后，電感能量放電到相關輸出，直到電流達到零。如果多個輸出通道需要同時維修，控制器可確保沒有輸出占用所有開關周期。相反，發生的情況是，周期在所有需要服務的輸出之間交錯。跳過不需要服務的輸出。

SIMO 架構還提供軟啟動功能，可將浪涌電流降至最低。這種軟啟動功能是通過限制啟動期間輸出電壓的壓擺率來實現的。為了完全、及時地關斷系統外設，每個 SIMO 降壓-升壓通道都有一個主動放電功能，該功能會根據 SIMO 穩壓器的狀態為每個 SIMO 通道自動獨立啟用（主動放電功能也可以通過 I2C).

電源性能：SIMO 與傳統架構的比較

圖4所示為可能使用MAX77650的電源樹框圖。如您所見，四個負載中的三個通過高效SIMO開關穩壓器連接到Li+電池。第四個負載由LDO從2.05V SIMO輸出供電，效率達到90.2%（1.85V/2.05V）。表 1 比較了傳統架構和 SIMO 架構之間的電源性能。（有關其他見解，請參閱下面的“了解更多”部分中包含的設計解決方案“使用SIMO延長耳戴式設備使用壽命”鏈接。

圖4.MAX77650 PMIC具有低散熱和小尺寸 空間受限的電池供電設備，如耳戴式設備和可穿戴設備。

SIMO 計算器可幫助您探索與 SIMO 參數相關的權衡。有關計算器的鏈接，請參閱下面的“了解更多”部分。

SIMO輸出電壓紋波是以下因素的函數：

輸出電容器

電感

輸出電壓設置

峰值電流限制設置

SIMO可用輸出電流是以下因素的函數：

輸入電壓

輸出電壓

峰值電流限制設置

其他 SIMO 通道的輸出電流

SIMO開關頻率是以下因素的函數：

輸入電壓

輸出電壓

峰值電流限制

電感

在這個基于電子表格的工具的計算器選項卡上，您只需在行頂部的相應值單元格中輸入系統參數即可。被視為最有趣的計算值以黃色突出顯示。如果認為某個參數在正常區域之外，則該單元格將以紅色突出顯示。注釋部分提供了有關增強設計的方法的指導。

總結

對于耳戴式設備、可穿戴設備以及類似的小型電池供電電子產品，較長的電池壽命對于客戶滿意度至關重要。與傳統的降壓-升壓拓撲相比，SIMO架構減少了元件數量，并通常延長了電池壽命。本文研究了與SIMO開關穩壓器集成的PMIC，這些PMIC非常適合應對超低功耗、空間受限應用的挑戰。

審核編輯：郭婷