SIMO开关调节器：延长耳戴式和可穿戴设备的电池寿命

2018-03-01

单片机与嵌入式系统应用 2018年2期

耳戴式、可穿戴产品日益成为市场热点，消费者对这些产品也提出了更高要求，要求它们不但体积小巧，而且电池寿命长。显而易见，设备尺寸限制了电池容量。本文介绍如何利用单电感多输出(SIMO)电源转换器技术节省电路板空间。SIMO架构及其稳压器的低静态电流使IC能够有效延长空间受限电子产品的电池寿命。

本文将帮助您深入理解SIMO技术及其工作原理，同时您将了解到更多关于电源管理IC (PMIC)的知识，这些IC具有SIMO调节器，能够降低功耗和总体元件数量，同时以不到一半的空间提供与传统方案相同的功能。

概述

在您佩戴耳机长途跋涉或者整个下午都忙于某个大型项目时，您一定不希望被迫停下来对耳机重新充电。您希望耳戴式、可穿戴及其它小尺寸、电池供电设备能够长时间可靠地工作。

从设计角度看，用户的期望很高。尺寸限制了Li+电池容量，而电池在每次充电后需要保持尽可能长的工作时间；对于电源，则必须满足子系统各种不同的供电电压要求。

SIMO架构为这些系统提供了最佳方案，集成了原本要求多个分立元件实现的功能。我们接下来深入了解一下什么是SIMO，及其在升压/降压调节器中如何工作。

SIMO架构概述

在传统的多通道开关稳压器中，每个开关调节器都需要一个独立的电感。这些电感物理尺寸大、成本高，对于小尺寸设计非常不利。另一个选择是使用线性稳压器，这种稳压器速度快、尺寸小且噪声低，但功耗较大。还有一种使用多路低压差稳压器(LDO)与DC-DC转换器相配合的混合方案。尽管这种配置的功耗和散热处于中等水平，但设计尺寸仍然大于单独的LDO结构。

具有升/降压功能的buck-boost SIMO转换器使用单个电感，可在较宽的输出电压范围内调节多达三路输出电压。与仅支持降压的buck SIMO相比，升/降压结构调整每个通道电压所需的时间较少，有助于更好地利用电感。当一路或多路输出电压接近输入电压时，buck SIMO的弱点被进一步放大。当输出电压接近电池电压时，buck SIMO将力不从心。此时，buck SIMO将占用很长时间电感，从而影响到其它通道。

多数情况下，系统中难免使用电感。LDO虽然体积小，但其本身也无法实现升压。SIMO只要求一个电感，对于要求至少一路升压的设计，buck-boost SIMO更适合。

电感饱和电流(Isat)指使电感值下降到规定值70%时对应的电流，与磁芯材料、电感磁芯尺寸等因素有关。与使用独立DC-DC转换器相比，SIMO架构仅使用一个电感，带来诸多优势：

克服SIMO架构的缺点

使用SIMO架构并非没有缺点，深思熟虑的设计非常重要。例如，由于单电感交替为输出提供能量，输出电压纹波往往较高。此外，SIMO在重载时，受限于时间，在伺服每路通道时可能有延迟，会进一步加剧输出电压纹波。使用较大的输出电容可以抵消这些输出电压纹波，同时保持占位面积/BOM方面的优势。

Maxim的新型电源管理IC (PMIC) MAX77650和MAX77651，实现了这些方面的完美平衡。这些PMIC设计采用微功耗SIMO升/降压DC-DC转换器架构。PMIC中集成的150 mA低压差稳压器(LDO)为音频等噪声敏感应用提供了噪声抑制。与串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)串联的可选电阻最大程度降低总线上的串扰和下冲，同时也保护器件输入不受总线高压尖峰的损害。调节器的每个通道都拥有低静态电流(1 μA)特性，有助于延长电池寿命。由于IC始终工作在非连续传导模式(DCM)，电感电流在每个周期末尾变为零，最大程度地降低串扰、防止振荡。

SIMO转换器的每路输出都具有升压/降压配置，产生的输出电压能够高于、低于或等于输入电压，充分利用了整个电池电压范围。由于每路输出的峰值电感电流可编程，可优化效率、输出纹波、电磁干扰(EMI)、PCB设计及负载能力，达到最佳平衡。这些IC的效率额定值高于85%@3.3V输出。

SIMO架构找到了低功耗和小尺寸之间的最佳平衡，低功耗对于散热受限的小尺寸应用极其重要。从图1可以看出，与带有多个LDO的DC-DC转换器或简单的多路DC-DC转换器相比，MAX77650 PMIC在散热和尺寸方面达到了最优。

图1 MAX77650 PMIC拥有低发热和小外形尺寸，适用于耳戴式和可穿戴等空间受限的电池供电设备

MAX77650/1中的SIMO控制采用专有的控制器，确保所有输出都能够及时达到能量支持。如果没有任何通道的调节器要求能量支持，状态机就停留在低功耗状态。一旦控制器识别出某个调节器需要伺服，则对电感充电，直到达到峰值限流值。接下来，电感电能对相关输出进行放电，直到电流达到零。如果多路输出通道同时要求伺服，控制器可确保没有任何输出独占开关周期，而是在要求伺服的输出之间交替分配开关周期。不需要伺服的输出将被跳过。

SIMO架构也提供软启动功能，最大程度降低浪涌电流。软启动功能是通过限制启动期间的输出电压摆率实现的。为了彻底、及时关断系统外设，每路SIMO升/降压通道具有有源放电功能，根据SIMO调节器的状态自动独立使能每路SIMO (也可通过I2C禁止有源放电功能)。

电源性能：SIMO与传统架构的比较

图2所示为常见应用的MAX77650电源拓扑框图。从图中可以看出，4个负载中有3个通过高效SIMO开关调节器连接到Li+电池。第4个负载由LDO利用2.05 V SIMO输出供电，效率达到90.2% (1.85 V/2.05 V)。表1所示为传统架构与SIMO架构之间的比较。Maxim提供SIMO计算器，帮助用户研究SIMO相关参数之间的平衡。