SIMO開關調節器：延長耳戴式和可穿戴設備的電池壽命

2018-03-01 00:36:54

單片機與嵌入式系統應用 2018年2期

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電感多輸出(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。

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于電源管理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。

概述

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

從設計角度看，用戶的期望很高。尺寸限制了Li+電池容量，而電池在每次充電后需要保持盡可能長的工作時間；對于電源，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，集成了原本要求多個分立元件實現的功能。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電感。這些電感物理尺寸大、成本高，對于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、尺寸小且噪聲低，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。盡管這種配置的功耗和散熱處于中等水平，但設計尺寸仍然大于單獨的LDO結構。

具有升/降壓功能的buck-boost SIMO轉換器使用單個電感，可在較寬的輸出電壓范圍內調節多達三路輸出電壓。與僅支持降壓的buck SIMO相比，升/降壓結構調整每個通道電壓所需的時間較少，有助于更好地利用電感。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將占用很長時間電感，從而影響到其它通道。

多數情況下，系統中難免使用電感。LDO雖然體積小，但其本身也無法實現升壓。SIMO只要求一個電感，對于要求至少一路升壓的設計，buck-boost SIMO更適合。

電感飽和電流(Isat)指使電感值下降到規定值70%時對應的電流，與磁芯材料、電感磁芯尺寸等因素有關。與使用獨立DC-DC轉換器相比，SIMO架構僅使用一個電感，帶來諸多優勢：

克服SIMO架構的缺點

使用SIMO架構并非沒有缺點，深思熟慮的設計非常重要。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，受限于時間，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設計采用微功耗SIMO升/降壓DC-DC轉換器架構。PMIC中集成的150 mA低壓差穩壓器(LDO)為音頻等噪聲敏感應用提供了噪聲抑制。與串行數據線(SDA)和串行時鐘線(SCL)串聯的可選電阻最大程度降低總線上的串擾和下沖，同時也保護器件輸入不受總線高壓尖峰的損害。調節器的每個通道都擁有低靜態電流(1 μA)特性，有助于延長電池壽命。由于IC始終工作在非連續傳導模式(DCM)，電感電流在每個周期末尾變為零，最大程度地降低串擾、防止振蕩。

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于、低于或等于輸入電壓，充分利用了整個電池電壓范圍。由于每路輸出的峰值電感電流可編程，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的效率額定值高于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，低功耗對于散熱受限的小尺寸應用極其重要。從圖1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優。

圖1 MAX77650 PMIC擁有低發熱和小外形尺寸，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達到能量支持。如果沒有任何通道的調節器要求能量支持，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，則對電感充電，直到達到峰值限流值。接下來，電感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占開關周期，而是在要求伺服的輸出之間交替分配開關周期。不需要伺服的輸出將被跳過。

SIMO架構也提供軟啟動功能，最大程度降低浪涌電流。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I2C禁止有源放電功能)。

電源性能：SIMO與傳統架構的比較

圖2所示為常見應用的MAX77650電源拓撲框圖。從圖中可以看出，4個負載中有3個通過高效SIMO開關調節器連接到Li+電池。第4個負載由LDO利用2.05 V SIMO輸出供電，效率達到90.2% (1.85 V/2.05 V)。表1所示為傳統架構與SIMO架構之間的比較。Maxim提供SIMO計算器，幫助用戶研究SIMO相關參數之間的平衡。