【解決方案】SIMO直流-直流轉換器是音頻放大器的最佳伴侶| 安馳科技股份有限公司 Macnica Anstek Inc.

摘要

由於其優化的解決方案尺寸、系統效率和多功能性，SIMO調節器非常適合用於可穿戴式/可聽戴設備。通過SIMO調節器的可調峰值電感器電流限制，可以將輸出電壓紋波控制在小於20mV以滿足對於靈敏音頻耳機放大器的要求。

介紹

一般來說，與低壓差（LDO）調節器相比，傳統開關模式電源（SMPS）被認為非常嘈雜。與開關調節器相關的開關動作會產生噪聲和相應的諧波，這可能影響音頻應用中的整體系統性能。因此，在音頻電路中使用SMPS存在設計挑戰。儘管在開關器後面放置濾波器或LDO可以減輕開關噪聲，但額外元件的成本、解決方案尺寸的增加以及系統效率的降低對於電子制造商和最終用戶來說都是不可取的。此外，小型無線音頻設備對尺寸和電池壽命提出了嚴峻的要求（圖1）。需要謹慎平衡以達到最佳解決方案。

圖1. 小型無線音頻設備對於尺寸和電池壽命提出了嚴苛要求，同時需要提供優異的音頻性能。

圖2展示了可聽戴音頻設備的典型電力流程，其中採用LDO驅動對噪聲敏感的元件。

圖2. 可聽戴設備的典型電力流程圖。

由於大量使用LDO，其相關的較低效率導致顯著的熱量散失和縮短電池壽命，從而降低用戶體驗。通過SIMO產品，現在可以實現更高的功率效率，同時以最小的BOM添加滿足最苛刻音頻設備的低噪聲要求。

正如本文所討論的，一種理想和創新的解決方案是單電感多輸出（SIMO）降壓升壓調節器，該調節器實現了三個共用一個電感器的降壓升壓調節器。它大幅減小了解決方案的尺寸，同時仍然提供高效率。同時，可編程的峰值電流限制允許在工廠或即時調節輸出電壓紋波，以滿足對於靈敏音頻放大器的嚴格系統要求。

SIMO的工作原理

圖3顯示了SIMO拓撲的簡化圖。圖4顯示了SIMO操作的電感器電流波形示意圖。SIMO採用不連續電流控制模式。在MAX77654 SIMO中，它可以在降壓或降壓升壓模式下運行，以支持0.8V至5.5V的廣泛輸出範圍。例如，在降壓升壓模式下，電感器通過M1和M4的導通以VIN/L的速率建立電流進行一個周期。當達到為所服務的輸出軌道編程的相應峰值電感器電流限制時，電流隨後通過M2和M3.x晶體管傳遞到該軌道。

圖3. 可聽戴設備的典型電力流程圖。

輸出電壓紋波

對於在不連續導通模式（DCM）下運行的開關調節器來說，普遍認為DCM下的大電感器電流紋波會產生較大的輸出電壓紋波，這對於對噪聲敏感的應用來說是不利的。幸運的是，SIMO的可編程峰值電流限制限制了電感器的峰值電流，從而降低了引起的輸出電壓紋波。結合低負載電流在超便攜應用中很常見的事實，SIMO的每個輸出軌道的峰值電流限制可以預先編程或調節到優化值，以實現更低的輸出電壓紋波而不影響輸出功率。

如圖4所示，峰值電流限制限制了電感器電流紋波。在相同的負載條件和運行模式（降壓/降壓升壓模式）下，較低的峰值電流限制實際上降低了每個特定輸出軌道的每個開關周期中傳輸到輸出端的能量量。這導致該軌道的開關頻率增加，從而減小了輸出電壓紋波。

圖4. SIMO的簡化圖示。

在MAX77654 SIMO中，有四種峰值電流限制選項：0.33A、0.5A、0.75A和1A。可以獨立為每個輸出端編程峰值電流限制。圖5顯示了在相同的應用條件下，對單個通道應用不同的編程峰值電流限制時的SIMO輸出電壓紋波：3.7V輸入電壓；1.8V輸出電壓；1.5µH電感器；22µF輸出電容；10mA負載電流。從圖5中的示波器截圖和表1中的數據可以清楚地觀察到峰值電流限制對輸出電壓紋波的顯著影響。當峰值電流限制為0.33A時，峰對峰輸出電壓紋波可以低於20mV。

圖5. SIMO的簡化圖示。

與CODEC的頻譜性能

為了展示SIMO PMIC在音頻應用中的優越性能，對SIMO和高性能音頻耳機放大器進行了頻譜測試。測試配置和帶內FFT結果如圖6和圖7所示。

由於Maxim的創新SIMO架構在DCM模式下運作，通道之間的干擾自然地擴展了開關頻率頻譜，從而降低了在另一個通道上有訊號時注入強大載波的可能性。

圖6（a）顯示了使用兩個離散LDO為DVDD和VDD供電的音頻放大器的設置；相比之下，圖7（a）顯示了使用SIMO的三個輸出軌道之一為DVDD和VDD供電的相同音頻放大器。以揚聲器圖標表示的負載是由串聯一個32Ω電阻和一個15µH電感器實現的。

表1. 使用不同峰值電流限制設置的輸出電壓紋波測量結果

圖6（b）和圖7（b）顯示了在設置中沒有輸入信號應用時的輸出信號的噪聲地板。當有一個-60dBFS的輸入時，從兩個設置的輸出訊號的結果頻譜如圖6（c）和圖7（c）所示。

帶內頻譜FFT顯示出使用LDO供應VDD和DVDD與使用SIMO供應VDD和DVDD時，噪聲和頻率內容幾乎完全相同。SIMO驅動VDD和DVDD電源對音頻放大器的噪聲地板和諧波內容沒有影響。

結論

借助Maxim獨特的SIMO架構，可以在小巧的封裝中高效地提供電源，同時實現音頻設備等便攜式設備的更長電池壽命。同時，可編程的電感器峰值電流限制使得每個SIMO輸出端的輸出電壓紋波可獨立調節，可以將此輸出紋波降低到低於20mV。此外，由於Maxim DCM SIMO的特性，輸出電壓訊號的頻譜天然地展開，並且沒有明顯的載波頻率，這將極易於耦合和混合。

所有這些SIMO調節器提供的功能使得高系統性能和小型尺寸完美結合。本文介紹的SIMO調節器系列解決了設計成功的無線音頻設備面臨的獨特挑戰，具有超低靜態電流、高效率、小尺寸和良好的噪聲性能。