小型電子產品盡管電池很小，但仍有望長時間運行。對于設計師來說，這是一個艱巨的挑戰。本應用筆記探討了采用獨特的SIMO功率轉換器架構設計的包含DC-DC轉換器的PMIC如何以微小的外形尺寸支持較長的電池壽命。

介紹

無論是耳塞還是智能手表，小型電子產品的運行時間都很長。這帶來了一個難題 對于設計師來說，因為較小的電池顯然具有較小的容量。然而，撇開性能預期不談，功率 這些應用的電源必須支持子系統內不同且多樣化的電壓要求 設計。這就是基于單電感多輸出（SIMO）功率轉換器的開關穩壓器 建筑可以提供幫助。結合SIMO架構和低靜態電流的穩壓器可以擴展 空間受限電子產品的電池壽命。

降壓-升壓 SIMO 轉換器的優勢

讓我們仔細看看SIMO架構如何適用于降壓-升壓穩壓器。如果我們考慮傳統的 多開關穩壓器拓撲結構，我們可以看到每個開關穩壓器都需要一個單獨的電感（圖 1）。 然而，由于電感器體積大且成本高昂，因此這種方法不適用于小型產品。線性 穩壓器是另一種選擇——雖然它們確實具有更高的功耗，但它們結構緊湊、快速且噪聲低。 還有一種基于多個低壓差穩壓器 （LDO） 和 DC-DC 轉換器的混合方法。雖然這 配置產生中等功率和散熱，它還產生比單獨 LDO 更大的設計。

圖1.降壓-升壓開關穩壓器的傳統架構。

降壓-升壓SIMO轉換器的優點是它可以在寬輸出范圍內調節多達三個輸出電壓 使用單個電感器的電壓范圍。降壓-升壓拓撲還提供比 僅降壓的西莫。此外，當一個或多個輸出電壓接近輸入電壓時，僅降壓SIMO的弱點就會被放大。此時，僅降壓的SIMO將需要電感器花費太多時間，從而影響其他通道。

有時，您無法避免系統中使用電感器。LDO雖然很小，但永遠無法提供提升 功能本身。由于 SIMO 架構只需要一個電感，因此需要至少一個升壓的解決方案 使用降壓-升壓SIMO時，電壓幾乎總是更好。圖 2 提供了 SIMO 架構的框圖。

圖2.SIMO架構框圖。

電感飽和電流（I坐） 是電感降至 70% 時的電流量度 它的價值。我坐由給定磁芯材料和結構的電感磁芯尺寸決定。與使用 獨立的 DC-DC 轉換器，在 SIMO 架構中使用單個電感器的方法具有許多優點，包括 以后：

更少的高 Z 高度組件

占地面積更小

時間多路復用，當不同的特征通常不會同時使用時出現。這個優勢 當總電源電流小于各個輸出要求的總和時，變得很明顯。例如，當您有使用不同軌電壓按順序發生的事件時，請考慮一下。某些藍牙系統中的數據可以在激活功能之前下載。因此，與無線電關聯的電源打開時間與激活功能的時間不同。所以，總 I坐所需的SIMO電感器可以低于要求 用于單獨的轉換器。

RMS（電感的額定電流）—通道不是時間多路復用的，但特性的峰值功耗通常不會同時發生，這會降低總電感I坐要求

解決 SIMO 架構權衡問題

使用 SIMO 架構進行設計的深思熟慮的方法對于最大限度地減少任何方法自然發生的權衡的影響至關重要。因為單個電感器本質上是提供能量桶來交替 輸出方面，輸出電壓紋波趨于較高也就不足為奇了。此外，當 SIMO 負載較重時，它可能會受到時間限制，并且為每個通道提供服務可能會有延遲，這可能會進一步增加 輸出電壓紋波。為了幫助抵消這些輸出電壓紋波源，請使用更大的輸出電容;與添加相比 用于獨立 DC-DC 轉換器的電感器，這仍然保持了凈占位面積/BOM 優勢。

回到我們對小型電子設備的討論，例如耳戴式設備和可穿戴設備，電源管理IC（PMIC） 采用微功耗設計的SIMO降壓-升壓DC-DC轉換器可以提供延長電池壽命的有效手段。由 利用整個電池電壓范圍，因為每個輸出都具有降壓-升壓配置的優點，例如 轉換器可以產生高于、低于或等于輸入電壓的輸出電壓。具有以下功能 可編程每個輸出的峰值電感電流，效率、輸出紋波、電磁之間的平衡 可以優化設計的干擾 （EMI）、PCB 設計和負載能力。

Maxim的MAX77650和MAX77651 PMIC采用微功耗SIMO降壓-升壓DC-DC轉換器設計。PMIC 包括 集成 150mA 低壓差穩壓器 （LDO），可為噪聲敏感型應用提供紋波抑制。要最小化 總線信號上的串擾和下沖，可選電阻 （24Ω） 與串行數據線 （SDA） 和串行串聯 時鐘線 （SCL），還可保護器件輸入免受總線線路上高壓尖峰的影響。這些中的每個塊 穩壓器具有低靜態電流 （每路輸出 1μA），有助于延長電池壽命。因為這些PMIC 始終在非連續導通（DCM）模式下工作，電感電流在每個周期結束時變為零至 進一步減少串擾并防止振蕩。SIMO控制方案中的專有控制器在這些 轉換器確保及時為所有輸出提供服務。當所有調節器都不需要維修時， 狀態機只是處于低功耗靜止狀態。當控制器注意到監管機構需要維修時， 它為電感充電，直到達到峰值電流限值。隨后，電感能量放電到 相關輸出，直到電流達到零。如果多個輸出通道需要同時維修，則 控制器確保沒有輸出利用所有開關周期。相反，循環在所有之間交錯 需要服務的輸出，跳過那些不需要服務的輸出。

功耗比較：SIMO 與傳統架構

MAX77650電源樹框圖如圖3所示。四個負載中的三個連接到Li+電池 通過高效SIMO開關穩壓器。第四個負載由LDO從2.05V SIMO輸出供電， 效率達到90.2%（1.85V/2.05V）。表1提供了傳統功率性能的比較 架構和 SIMO 架構。評估板可用于MAX77650和MAX77651。

為了幫助您探索與SIMO參數相關的權衡，MAX77650產品頁面的設計資源選項卡中提供了SIMO計算器。計算器是一個基于電子表格的工具。只需輸入系統參數 在“計算器”選項卡行頂部的相應值單元格中。該工具以黃色突出顯示 被認為是最有趣的計算值。如果工具確定參數在外部 在正常區域中，該工具會以紅色突出顯示單元格。評論部分包括有關增強方法的指導 您的設計。

圖3.MAX77650電源樹，包含每個穩壓器的輸出電壓、負載電流、效率和功耗。

表 1.SIMO 架構與傳統架構的功耗性能對比

總結

本應用筆記研究了SIMO架構，并解釋了帶有SIMO開關穩壓器的PMIC如何 延長空間受限電子設備的電池壽命。

審核編輯：郭婷