耳戴式、可穿戴產品日益成為市場熱點，消費者對這些產品也提出了更高要求，要求它們不但體積小巧，而且電池壽命長。 顯而易見，設備尺寸限制了電池容量。本文介紹如何利用單感應器多輸出 (SIMO) 電源轉換器技術節省電路板空間。SIMO 架構及其穩壓器的低靜態電流使 IC 能夠有效延長空間受限電子產品的電池壽命。
■作者：
Cary Delano / Maxim Integrated 行動方案事業部 技術團隊工程師
Gaurav Mital / Maxim Integrated 行動方案事業部 技術團隊首席工程師
本文將幫助您深入理解 SIMO 技術及其工作原理，同時您將了解到更多關於電源管理 IC (PMIC) 的知識，這些 IC 具有 SIMO 調節器，能夠降低功耗和總體元件數量，同時以不到一半的空間提供與傳統方案相同的功能。
滿足可攜式裝置的電池壽命要求
在您佩戴耳機長途跋涉或者整個下午都忙於某個大型專案時，您一定不希望被迫停下來對耳機重新充電。您希望耳戴式、可穿戴及其他小尺寸、電池供電設備能夠長時間可靠的工作。
從設計角度看，用戶的期望很高。尺寸限制了 Li+ 電池容量，而電池在每次充電後需要保持盡可能長的工作時間；對於電源，則必須滿足子系統各種不同的供電電壓要求。
SIMO 架構為這些系統提供了最佳方案，整合了原本要求多個分立元件實現的功能。我們接下來深入瞭解一下什麼是 SIMO，及其在升壓 / 降壓調節器中如何工作。
SIMO 架構概述
在傳統的多通道開關穩壓器中，每個開關調節器都需要一個獨立的感應器 ( 圖 1)。這些感應器物理尺寸大、成本高，對於小尺寸設計非常不利。
另 一個選擇是使用線性穩壓器，這種穩壓器速度快、尺寸小且雜訊低，但功耗較大。還有一種使用多路低壓差穩壓器 (LDO) 與 DC-DC 轉換器相配合的混合方案。儘管這種配置的功耗和散熱處於中等水準，但設計尺寸仍然大於單獨的 LDO 結構。
具有升 / 降壓功能的 buck-boost SIMO 轉換器使用單個感應器，可在較寬的輸出電壓範圍內調節多達三路輸出電壓。與僅支援降壓的 buck SIMO 相比，升 / 降壓結構調整每個通道電壓所需的時間較少，有助於更好地利用感應器。當一路或多路輸出電壓接近輸入電壓時，buck SIMO 的弱點被進一步放大。當輸出電壓接近電池電壓時，buck SIMO 將力不從心。此時，buck SIMO 將佔用感應器很長時間，進而影響到其他通道。
多數情況下，系統中難免使用感應器。LDO 雖然體積小，但其本身也無法實現升壓。SIMO 只要求一個感應器，對於要求至少一路升壓的設計， buck-boost SIMO 更適合。
感應器飽和電流 (Isat) 指使感應器值下降到規定值 70% 時對應的電流，與磁芯材料、感應器磁芯尺寸等因素有關。與使用獨立 DC-DC 轉換器相比， SIMO 架構僅使用一個感應器，帶來諸多優勢：
-
在系統允許的情況下，可以更好地利用垂直空間 (Z 高度 )。
-
由於不必像傳統方案一樣使用大量感應器，節省費用和占位面積。
-
時間複用，多數情況下，系統的不同功能並非同時運作。當總電流小於各路輸出電流之和時，這種優勢更加明顯。例如，有些設計中會按照不同順序使用不同通道的供電電壓。比如，藍牙系統，可在啟動某項功能之前先下載資料。這意味著射頻電路供電電源與被啟動功能的電源不會同時使用。所以，SIMO 感應器要求的總 Isat 小於單個轉換器要求的電流。
-
RMS ( 感應器電流額定值 )——即使通道間未採用時間複用，各項功能的峰值功耗也不會同時發生，同樣低於總感應器 Isat 要求。
克服 SIMO 架構的缺點
使用 SIMO 架構並非沒有缺點，深思熟慮的設計非常重要。例如，由於單感應器交替為輸出提供能量，輸出電壓紋波往往較高。此外，SIMO 在重載時，受限於時間，在伺服每路通道時可能有延遲，會進一步加劇輸出電壓紋波。使用較大的輸出電 容可以抵消這些輸出電壓紋波，同時保持占位面積 /BOM 方面的優勢。
Maxim 的新型電源管理 IC (PMIC) MAX77650 和 MAX77651，實現了這些方面 的完美平衡。這些 PMIC 設計採用微功耗 SIMO 升 / 降壓 DC-DC 轉換器架構。PMIC 中整合的 150mA 低壓差穩壓器 (LDO) 為音訊等雜訊敏感應用提供雜訊抑制。與串列資料線 (SDA) 和串列時鐘線 (SCL) 串聯的可選電阻最大程度降低匯流排上的串擾和下沖，同時也保護器件輸入不受匯流排高壓尖峰的損害。調節器的每個通道都擁有低靜態電流 (1μA) 特 性，有助於延長電池壽命。由於 IC 始終工作在非連 續傳導模式 (DCM)，感應器電流在每個週期末尾變為零，最大程度地降低串擾、防止振盪。
SIMO 轉換器的每路輸出都具有升壓 / 降壓配 置，產生的輸出電壓能夠高於、低於或等於輸入電 壓，充分利用了整個電池電壓範圍。由於每路輸出的峰值感應器電流可程式設計，可優化效率、輸出 紋波、電磁干擾 (EMI)、PCB 設計及負載能力，達 到最佳平衡。這些IC的效率額定值高於85% @ 3.3V 輸出。
SIMO 架構找到了低功耗和小尺寸之間的最佳 平衡，低功耗對於散熱受限的小尺寸應用極其重要。從圖 3 可以看出，與帶有多個 LDO 的 DC-DC 轉換器或簡單的多路 DC-DC 轉換器相比，MAX77650 PMIC 在散熱和尺寸方面達到了最佳化。
MAX77650/1 中的 SIMO 控制採用專有的控制器，確保所有輸出都能夠及時達到能量支援。如果沒有任何通道的調節器要求能量支援，狀態機就停留在低功耗狀態。一旦控制器識別出某個調節器需要伺服，則對感應器充電，直到達到峰值限流值。
接下來，感應器電能對相關輸出進行放電，直到電流達到零。如果多路輸出通道同時要求伺服，控制器可確保沒有任何輸出獨佔開關週期，而是在要求伺服的輸出之間交替分配開關週期。不需要伺服的輸出將被跳過。
SIMO 架構也提供軟啟動功能，最大程度降低突波電流。軟啟動功能是通過限制啟動期間的輸出電壓擺率實現的。為了徹底、及時關斷系統外設，每路 SIMO 升 / 降壓通道具有有源放電功能，根據 SIMO 調節器的狀態自動獨立使能每路 SIMO ( 也可 通過 I 2 C 禁止有源放電功能 )。
電源性能：SIMO 與傳統架構的比較
圖4 所示為常見應用的 MAX77650 電源拓撲框圖。從圖中可以看出，四個負載中有三個通過高效 SIMO 開關調節器連接到 Li+ 電池。第四個負 載由 LDO 利用 2.05V SIMO 輸出供電，效率達到 90.2% (1.85V/2.05V)。
表1所示為傳統架構與SIMO架構之間的比較。 ( 更多詳細資訊請參考下文中“更多資訊”部分提供的連結：設計方案，“利用 SIMO 延長耳戴式設備電池壽命”。)
Maxim 提供 SIMO 計算器，幫助用戶研究 SIMO 相關參數之間的平衡。請參見下文“更多資 訊”部分的計算器連結。
SIMO 輸出電壓紋波與以下因素有關：
a. 輸出電容
b. 感應器
c. 輸出電壓設置
d. 峰值限流設置
SIMO 可提供的輸出電流與以下因素有關：
a. 輸入電壓
b. 輸出電壓
c. 峰值限流設置
d. 其他 SIMO 通道的輸出電流
SIMO 開關頻率與以下因素有關：
a. 輸入電壓
b. 輸出電壓
c. 峰值限流設置
d. 感應器
在這款基於試算表的 “calculator” 工具標籤頁， 可在頂部對應儲存格輸入系統參數。最相關的計算值用黃色突出顯示。如果某個參數超出正常範圍，相關單元將以紅色突出顯示。備註部分提供關於增強設計方法的指南。
總結
對於耳戴式、可穿戴以及類似小尺寸、電池供電設備，較長電池壽命對於客戶滿意度至關重要。與傳統升 / 降壓結構相比，SIMO 架構減少了元件數量，延長電池壽命。本文介紹了整合 SIMO 開關調節器的 PMIC，能夠完美解決超低功耗、空間受 限應用面臨的挑戰。
聯繫我們
ADI 所有產品請洽【 安馳科技 】
安馳科技｜ADI亞德諾半導體網站：https://anstekadi.com
安馳科技 LINE 官方帳號：https://lin.ee/5gcKNi7
安馳科技 Facebook 官方帳號：https://www.facebook.com/ANStek3528
安馳科技EDM訂閱 https://anstekadi.com/Home/EDM
申請樣品與技術支援：https://www.surveycake.com/s/dQ3Y2
與我聯絡：Marketing.anstek@macnica.com
