SIMO開關(guān)調(diào)節(jié)器：延長耳戴式和可穿戴設(shè)備的電池壽命

耳戴式、可穿戴產(chǎn)品日益成為市場熱點(diǎn)，消費(fèi)者對這些產(chǎn)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(shè)備尺寸限制了電池容量。本文介紹如何利用單電感多輸出(SIMO)電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)節(jié)省電路板空間。SIMO架構(gòu)及其穩(wěn)壓器的低靜態(tài)電流使IC能夠有效延長空間受限電子產(chǎn)品的電池壽命。

本文將幫助您深入理解SIMO技術(shù)及其工作原理，同時(shí)您將了解到更多關(guān)于電源管理IC (PMIC)的知識，這些IC具有SIMO調(diào)節(jié)器，能夠降低功耗和總體元件數(shù)量，同時(shí)以不到一半的空間提供與傳統(tǒng)方案相同的功能。

概 述

在您佩戴耳機(jī)長途跋涉或者整個(gè)下午都忙于某個(gè)大型項(xiàng)目時(shí)，您一定不希望被迫停下來對耳機(jī)重新充電。您希望耳戴式、可穿戴及其它小尺寸、電池供電設(shè)備能夠長時(shí)間可靠地工作。

從設(shè)計(jì)角度看，用戶的期望很高。尺寸限制了Li+電池容量，而電池在每次充電后需要保持盡可能長的工作時(shí)間；對于電源，則必須滿足子系統(tǒng)各種不同的供電電壓要求。

SIMO架構(gòu)為這些系統(tǒng)提供了最佳方案，集成了原本要求多個(gè)分立元件實(shí)現(xiàn)的功能。我們接下來深入了解一下什么是SIMO，及其在升壓/降壓調(diào)節(jié)器中如何工作。

SIMO架構(gòu)概述

在傳統(tǒng)的多通道開關(guān)穩(wěn)壓器中，每個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)器都需要一個(gè)獨(dú)立的電感。這些電感物理尺寸大、成本高，對于小尺寸設(shè)計(jì)非常不利。另一個(gè)選擇是使用線性穩(wěn)壓器，這種穩(wěn)壓器速度快、尺寸小且噪聲低，但功耗較大。還有一種使用多路低壓差穩(wěn)壓器(LDO)與DC-DC轉(zhuǎn)換器相配合的混合方案。盡管這種配置的功耗和散熱處于中等水平，但設(shè)計(jì)尺寸仍然大于單獨(dú)的LDO結(jié)構(gòu)。

具有升/降壓功能的buck-boost SIMO轉(zhuǎn)換器使用單個(gè)電感，可在較寬的輸出電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)多達(dá)三路輸出電壓。與僅支持降壓的buck SIMO相比，升/降壓結(jié)構(gòu)調(diào)整每個(gè)通道電壓所需的時(shí)間較少，有助于更好地利用電感。當(dāng)一路或多路輸出電壓接近輸入電壓時(shí)，buck SIMO的弱點(diǎn)被進(jìn)一步放大。當(dāng)輸出電壓接近電池電壓時(shí)，buck SIMO將力不從心。此時(shí)，buck SIMO將占用很長時(shí)間電感，從而影響到其它通道。

多數(shù)情況下，系統(tǒng)中難免使用電感。LDO雖然體積小，但其本身也無法實(shí)現(xiàn)升壓。SIMO只要求一個(gè)電感，對于要求至少一路升壓的設(shè)計(jì)，buck-boost SIMO更適合。

電感飽和電流(Isat)指使電感值下降到規(guī)定值70%時(shí)對應(yīng)的電流，與磁芯材料、電感磁芯尺寸等因素有關(guān)。與使用獨(dú)立DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，SIMO架構(gòu)僅使用一個(gè)電感，帶來諸多優(yōu)勢：

克服SIMO架構(gòu)的缺點(diǎn)

使用SIMO架構(gòu)并非沒有缺點(diǎn)，深思熟慮的設(shè)計(jì)非常重要。例如，由于單電感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(shí)，受限于時(shí)間，在伺服每路通道時(shí)可能有延遲，會進(jìn)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(shí)保持占位面積/BOM方面的優(yōu)勢。

Maxim的新型電源管理IC (PMIC) MAX77650和MAX77651，實(shí)現(xiàn)了這些方面的完美平衡。這些PMIC設(shè)計(jì)采用微功耗SIMO升/降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。PMIC中集成的150 mA低壓差穩(wěn)壓器(LDO)為音頻等噪聲敏感應(yīng)用提供了噪聲抑制。與串行數(shù)據(jù)線(SDA)和串行時(shí)鐘線(SCL)串聯(lián)的可選電阻最大程度降低總線上的串?dāng)_和下沖，同時(shí)也保護(hù)器件輸入不受總線高壓尖峰的損害。調(diào)節(jié)器的每個(gè)通道都擁有低靜態(tài)電流(1 μA)特性，有助于延長電池壽命。由于IC始終工作在非連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)，電感電流在每個(gè)周期末尾變?yōu)榱?，最大程度地降低串?dāng)_、防止振蕩。

SIMO轉(zhuǎn)換器的每路輸出都具有升壓/降壓配置，產(chǎn)生的輸出電壓能夠高于、低于或等于輸入電壓，充分利用了整個(gè)電池電壓范圍。由于每路輸出的峰值電感電流可編程，可優(yōu)化效率、輸出紋波、電磁干擾(EMI)、PCB設(shè)計(jì)及負(fù)載能力，達(dá)到最佳平衡。這些IC的效率額定值高于85%@3.3V輸出。

SIMO架構(gòu)找到了低功耗和小尺寸之間的最佳平衡，低功耗對于散熱受限的小尺寸應(yīng)用極其重要。從圖1可以看出，與帶有多個(gè)LDO的DC-DC轉(zhuǎn)換器或簡單的多路DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，MAX77650 PMIC在散熱和尺寸方面達(dá)到了最優(yōu)。

圖1 MAX77650 PMIC擁有低發(fā)熱和小外形尺寸，適用于耳戴式和可穿戴等空間受限的電池供電設(shè)備

MAX77650/1中的SIMO控制采用專有的控制器，確保所有輸出都能夠及時(shí)達(dá)到能量支持。如果沒有任何通道的調(diào)節(jié)器要求能量支持，狀態(tài)機(jī)就停留在低功耗狀態(tài)。一旦控制器識別出某個(gè)調(diào)節(jié)器需要伺服，則對電感充電，直到達(dá)到峰值限流值。接下來，電感電能對相關(guān)輸出進(jìn)行放電，直到電流達(dá)到零。如果多路輸出通道同時(shí)要求伺服，控制器可確保沒有任何輸出獨(dú)占開關(guān)周期，而是在要求伺服的輸出之間交替分配開關(guān)周期。不需要伺服的輸出將被跳過。

SIMO架構(gòu)也提供軟啟動(dòng)功能，最大程度降低浪涌電流。軟啟動(dòng)功能是通過限制啟動(dòng)期間的輸出電壓擺率實(shí)現(xiàn)的。為了徹底、及時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)外設(shè)，每路SIMO升/降壓通道具有有源放電功能，根據(jù)SIMO調(diào)節(jié)器的狀態(tài)自動(dòng)獨(dú)立使能每路SIMO (也可通過I2C禁止有源放電功能)。

電源性能：SIMO與傳統(tǒng)架構(gòu)的比較

圖2所示為常見應(yīng)用的MAX77650電源拓?fù)淇驁D。從圖中可以看出，4個(gè)負(fù)載中有3個(gè)通過高效SIMO開關(guān)調(diào)節(jié)器連接到Li+電池。第4個(gè)負(fù)載由LDO利用2.05 V SIMO輸出供電，效率達(dá)到90.2% (1.85 V/2.05 V)。表1所示為傳統(tǒng)架構(gòu)與SIMO架構(gòu)之間的比較。Maxim提供SIMO計(jì)算器，幫助用戶研究SIMO相關(guān)參數(shù)之間的平衡。

圖2 MAX77650電源拓?fù)洌總€(gè)調(diào)節(jié)器的輸出電壓、負(fù)載電流、效率和功耗

表1 SIMO架構(gòu)與傳統(tǒng)電源架構(gòu)的性能比較

SIMO輸出電壓紋波與以下因素有關(guān)：輸出電容、電感、輸出電壓設(shè)置、峰值限流設(shè)置。

SIMO可提供的輸出電流與以下因素有關(guān)：輸入電壓、輸出電壓、峰值限流設(shè)置、其它SIMO通道的輸出電流。

SIMO開關(guān)頻率與以下因素有關(guān)：輸入電壓、輸出電壓、峰值限流設(shè)置、電感。

總 結(jié)