SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器：延長(zhǎng)耳戴式設(shè)備和可穿戴設(shè)備的電池壽命

消費(fèi)者希望耳戴式設(shè)備、可穿戴設(shè)備和其他超小型電子設(shè)備的電池壽命很長(zhǎng)，盡管它們的外形很小。然而，很明顯，設(shè)備尺寸確實(shí)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(zhuǎn)換器架構(gòu)的開關(guān)穩(wěn)壓器來節(jié)省部分空間。SIMO架構(gòu)以及穩(wěn)壓器的低靜態(tài)電流使IC能夠延長(zhǎng)空間受限電子產(chǎn)品的電池壽命。

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

介紹

滿足微型設(shè)備的電池壽命需求

當(dāng)您戴上耳塞進(jìn)行長(zhǎng)途徒步旅行或下午處理大型項(xiàng)目時(shí)，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(shè)備、可穿戴設(shè)備和其他小型電池供電電子設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間可靠地運(yùn)行。

從設(shè)計(jì)的角度來看，這些用戶期望是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。外形尺寸限制決定了對(duì)小型Li+電池的需求，該電池必須在充電周期之間持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間并且謹(jǐn)慎使用。反過來，電源必須滿足設(shè)計(jì)中子系統(tǒng)的不同電壓要求。

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

SIMO 架構(gòu)概述

在傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)渲?，每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器需要為每個(gè)輸出配備一個(gè)單獨(dú)的電感器（圖 1），因?yàn)槊總€(gè)電壓軌必須由一個(gè)單獨(dú)的電感器提供服務(wù)。電感器外形大且成本高，因此對(duì)于小尺寸產(chǎn)品來說，這是一個(gè)缺點(diǎn)。線性穩(wěn)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(zhuǎn)換器結(jié)合使用多個(gè)低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。然而，雖然這種配置會(huì)導(dǎo)致中等功率和散熱，但它仍然會(huì)產(chǎn)生比單獨(dú)使用LDO更大的設(shè)計(jì)。

圖1.降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)架構(gòu)。

精選的降壓-升壓 SIMO 轉(zhuǎn)換器可使用單個(gè)電感器在寬輸出電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)多達(dá)三個(gè)輸出電壓。降壓-升壓拓?fù)溆兄诟玫乩秒姼?，因?yàn)榕c僅降壓的SIMO相比，它需要更少的時(shí)間來維護(hù)每個(gè)通道。 僅降壓SIMO的弱點(diǎn)隨著一個(gè)或多個(gè)輸出電壓接近輸入電壓而放大。當(dāng)輸出電壓接近電池電壓時(shí)，僅降壓的SIMO將受到影響。此時(shí)，純降壓SIMO需要電感器花費(fèi)太多時(shí)間，這會(huì)影響其他通道。

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

圖2.SIMO架構(gòu)框圖。

電感飽和電流（Isat）是電感下降到對(duì)應(yīng)于特定電流的一定百分比的量度，與給定磁芯材料和結(jié)構(gòu)的電感磁芯尺寸成正比。與使用單獨(dú)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器相比，在 SIMO 架構(gòu)中使用一個(gè)電感器具有多種優(yōu)勢(shì)：

當(dāng)系統(tǒng)允許時(shí)，您可以更好地利用 Z 高度

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

時(shí)間多路復(fù)用，當(dāng)不同的功能通常不會(huì)同時(shí)使用時(shí)。當(dāng)總電源電流小于各個(gè)輸出要求的總和時(shí)，這種優(yōu)勢(shì)就會(huì)顯現(xiàn)出來。例如，您可能有使用不同軌道電壓按順序發(fā)生的事件。例如，在某些藍(lán)牙系統(tǒng)中，可以在激活功能之前下載數(shù)據(jù)。這意味著與無線電相關(guān)的電源與激活功能打開的時(shí)間不同。因此，SIMO電感所需的總Isat小于單獨(dú)轉(zhuǎn)換器所需的總Isat。

RMS（電感的額定電流）—即使通道不是時(shí)間多路復(fù)用的，特性的峰值功耗通常也不會(huì)同時(shí)發(fā)生，這也會(huì)降低電感器的總Isa要求

克服 SIMO 架構(gòu)的妥協(xié)

使用 SIMO 架構(gòu)并非沒有權(quán)衡。因此，深思熟慮的設(shè)計(jì)方法很重要。例如，輸出電壓紋波通常會(huì)更高，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)電感器為交替輸出提供能量桶。此外，由于SIMO負(fù)載較重，因此具有時(shí)間限制，并且每個(gè)通道的維修時(shí)間可能會(huì)延遲，這會(huì)進(jìn)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(shí)保持凈占位面積/BOM 優(yōu)勢(shì)。

Maxim的新型電源管理IC（PMIC）MAX77650和MAX77651在這些權(quán)衡之間實(shí)現(xiàn)了謹(jǐn)慎的平衡。 這些PMIC采用微功耗SIMO降壓升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。PMIC中集成了150mA低壓差穩(wěn)壓器（LDO），為音頻等噪聲敏感型應(yīng)用提供紋波抑制?？蛇x電阻 （24Ω） 與串行數(shù)據(jù)線 （SDA） 和串行時(shí)鐘線 （SCL） 串聯(lián)，可最大限度地減少總線信號(hào)上的串?dāng)_和下沖，同時(shí)保護(hù)器件輸入免受總線線路上高壓尖峰的影響。這些穩(wěn)壓器中的每個(gè)模塊都具有低靜態(tài)電流 （每路輸出 1μA），這有助于延長(zhǎng)最終應(yīng)用的電池壽命。由于IC始終以非連續(xù)導(dǎo)通（DCM）模式工作，電感電流在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)變?yōu)榱?，以進(jìn)一步減少串?dāng)_并防止振蕩。

SIMO轉(zhuǎn)換器利用整個(gè)電池電壓范圍，因?yàn)槊總€(gè)輸出都具有降壓-升壓配置的優(yōu)點(diǎn)，其產(chǎn)生的輸出電壓高于、低于或等于輸入電壓。由于每個(gè)輸出的峰值電感電流是可編程的，因此您可以優(yōu)化效率、輸出紋波、電磁干擾 （EMI）、PCB 設(shè)計(jì)和負(fù)載能力之間的平衡。這些 IC 在 3.3V 輸出時(shí)的額定效率超過 85%。

這種 SIMO 架構(gòu)在低功耗和外形尺寸之間找到了最佳平衡。低功耗對(duì)于無法散發(fā)大量熱量的非常小的應(yīng)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(gè)LDO或多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器的DC-DC轉(zhuǎn)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(shè)備，如耳戴式設(shè)備和可穿戴設(shè)備。

MAX77650/1中的SIMO控制方案涉及一個(gè)專有控制器，確保所有輸出得到及時(shí)的服務(wù)。如果沒有任何需要維修的穩(wěn)壓器，狀態(tài)機(jī)將處于低功耗狀態(tài)。一旦控制器識(shí)別出穩(wěn)壓器需要維修，它就會(huì)對(duì)電感進(jìn)行充電，直到達(dá)到峰值電流限值。隨后，電感能量放電到相關(guān)輸出，直到電流達(dá)到零。如果多個(gè)輸出通道需要同時(shí)維修，控制器可確保沒有輸出占用所有開關(guān)周期。相反，發(fā)生的情況是，周期在所有需要服務(wù)的輸出之間交錯(cuò)。跳過不需要服務(wù)的輸出。

SIMO 架構(gòu)還提供軟啟動(dòng)功能，可將浪涌電流降至最低。這種軟啟動(dòng)功能是通過限制啟動(dòng)期間輸出電壓的壓擺率來實(shí)現(xiàn)的。為了完全、及時(shí)地關(guān)斷系統(tǒng)外設(shè)，每個(gè) SIMO 降壓-升壓通道都有一個(gè)主動(dòng)放電功能，該功能會(huì)根據(jù) SIMO 穩(wěn)壓器的狀態(tài)為每個(gè) SIMO 通道自動(dòng)獨(dú)立啟用（主動(dòng)放電功能也可以通過 I2C).

電源性能：SIMO 與傳統(tǒng)架構(gòu)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(gè)負(fù)載中的三個(gè)通過高效SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器連接到Li+電池。第四個(gè)負(fù)載由LDO從2.05V SIMO輸出供電，效率達(dá)到90.2%（1.85V/2.05V）。表 1 比較了傳統(tǒng)架構(gòu)和 SIMO 架構(gòu)之間的電源性能。（有關(guān)其他見解，請(qǐng)參閱下面的“了解更多”部分中包含的設(shè)計(jì)解決方案“使用SIMO延長(zhǎng)耳戴式設(shè)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(shè)備，如耳戴式設(shè)備和可穿戴設(shè)備。

SIMO 計(jì)算器可幫助您探索與 SIMO 參數(shù)相關(guān)的權(quán)衡。有關(guān)計(jì)算器的鏈接，請(qǐng)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(shù)：

輸出電容器

電感

輸出電壓設(shè)置

峰值電流限制設(shè)置

SIMO可用輸出電流是以下因素的函數(shù)：

輸入電壓

輸出電壓

峰值電流限制設(shè)置

其他 SIMO 通道的輸出電流

SIMO開關(guān)頻率是以下因素的函數(shù)：

輸入電壓

輸出電壓

峰值電流限制

電感

在這個(gè)基于電子表格的工具的計(jì)算器選項(xiàng)卡上，您只需在行頂部的相應(yīng)值單元格中輸入系統(tǒng)參數(shù)即可。被視為最有趣的計(jì)算值以黃色突出顯示。如果認(rèn)為某個(gè)參數(shù)在正常區(qū)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(guān)增強(qiáng)設(shè)計(jì)的方法的指導(dǎo)。

總結(jié)

對(duì)于耳戴式設(shè)備、可穿戴設(shè)備以及類似的小型電池供電電子產(chǎn)品，較長(zhǎng)的電池壽命對(duì)于客戶滿意度至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的降壓-升壓拓?fù)湎啾?，SIMO架構(gòu)減少了元件數(shù)量，并通常延長(zhǎng)了電池壽命。本文研究了與SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器集成的PMIC，這些PMIC非常適合應(yīng)對(duì)超低功耗、空間受限應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷