SIMO技術(shù)初探

可穿戴設(shè)備是一個美妙的概念，它可以讓電子設(shè)備在盡可能減少異物感的前提下，與用戶更“親密”地融合在一起，并且提供所需的功能。但是從一開始，可穿戴設(shè)備就被一個難題所困擾——如何能夠在足夠輕薄的外形下，集成足夠多的功能，且電力（通常為電池供電）續(xù)航還要足夠長。

想一想我們的抽屜里，有多少當(dāng)初興沖沖入手，如今卻在默默接灰的可穿戴設(shè)備？它們之所以會被棄用，其中很重要的一個原因就是續(xù)航能力差強(qiáng)人意。連一貫傲嬌的蘋果，當(dāng)年都曾因?yàn)锳pple Watch不足一天的待機(jī)時間遭到群嘲，可想而知應(yīng)對“更小的體積、更長續(xù)航”這個可穿戴設(shè)計(jì)的難題，并不容易。

在解決這一難題中，PMIC（電源管理集成電路）的選擇是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。PMIC的作用是將傳統(tǒng)的多路輸出電源封裝在一顆芯片內(nèi)，在為設(shè)備中不同功能電路提供高效率的電源轉(zhuǎn)化的同時，更是具備高集成、小型化的優(yōu)勢。

不過，到了可穿戴設(shè)備這種要求更為苛刻的應(yīng)用場景中，傳統(tǒng)的PMIC仍然會感到“不適應(yīng)”，于是PMIC廠商在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上針對可穿戴應(yīng)用做了不少優(yōu)化，這些“為可穿戴而生”的PMIC也各具特色。而其中，Maxim Integrated推出的基于單電感多輸出（SIMO）電源轉(zhuǎn)換器技術(shù)的PMIC，尤其顯得獨(dú)樹一幟，很值得深入了解一番。

SIMO技術(shù)初探

想要參透SIMO PMIC的奧妙之處，首先要來說說這個“SIMO”技術(shù)。

大家知道，如果單純從外形上考慮，LDO線性穩(wěn)壓器是最具優(yōu)勢的電源管理器件，它速度快、尺寸小且噪聲低，但是由于功耗較大，且不能實(shí)現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換，所以并不是可穿戴設(shè)備電源管理問題的完美解決方案。為了獲得較高的電源轉(zhuǎn)換效率，DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器在PMIC中被廣泛應(yīng)用。但是在傳統(tǒng)的多通道DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器中，每個開關(guān)調(diào)節(jié)器都需要一個獨(dú)立的電感（如圖1），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。于是，有人提出了一種使用多路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)……這種“魚和熊掌不可兼得”的局面，確實(shí)讓人很糾結(jié)。

圖1：傳統(tǒng)架構(gòu)的多路升/降壓DC-DC開關(guān)調(diào)節(jié)器，需要多個電感（圖源：Maxim）

而SIMO技術(shù)的出現(xiàn)，打破了這一僵局。與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器應(yīng)用中為每個DC-DC轉(zhuǎn)換器都配備一個專屬電感不同，SIMO技術(shù)是讓多個轉(zhuǎn)換器共享一個電感——可支持多達(dá)三路輸出電壓——通過減少個頭大、成本高的電感入手，大大減少了系統(tǒng)的體積（如圖2）。

這種“共享電感”的設(shè)計(jì)是通過一個專有的控制器來實(shí)現(xiàn)的，它確保所有輸出都能夠及時達(dá)到能量支持。在任何通道的調(diào)節(jié)器都沒有要求能量支持的情況下，狀態(tài)機(jī)會停留在低功耗狀態(tài)。一旦控制器識別出某個調(diào)節(jié)器需要伺服，則會對電感充電，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。

圖2：SIMO架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多個DC-DC開關(guān)調(diào)節(jié)器共享一個電感（圖源：Maxim）

SIMO架構(gòu)還帶來了另外一個好處。在這種時間復(fù)用的機(jī)制下，多數(shù)情況中，系統(tǒng)的不同功能并非同時使能，因此不會產(chǎn)生各個功能電路功耗峰值疊加的情況，這使得SIMO架構(gòu)對電感飽和電流Isat的要求小于單個轉(zhuǎn)換器要求的電流。這對于電感的選型，無疑會帶來很大的靈活性。

可以說，SIMO架構(gòu)在低功耗和小尺寸之間找到了一個最佳平衡點(diǎn)。眾所周知，低功耗對于散熱受限的小尺寸應(yīng)用極其重要，圖3中對于不同類型的電源管理技術(shù)熱能的耗散進(jìn)行了比較，可以看到，與帶有多個LDO的DC-DC轉(zhuǎn)換器或簡單的多路DC-DC轉(zhuǎn)換器相比，Maxim Integrated基于SIMO技術(shù)的MAX77650 PMIC在散熱和尺寸方面優(yōu)勢明顯。

圖3：可穿戴應(yīng)用中，不同電源管理架構(gòu)散熱和尺寸特性的比較（圖源：Maxim）

此外，Maxim Integrated在SIMO PMIC的設(shè)計(jì)中，還提供了轉(zhuǎn)換器的每路升壓/降壓輸出的可編程配置，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、EMI、PCB設(shè)計(jì)及負(fù)載能力，達(dá)到最佳平衡。同時SIMO架構(gòu)也提供軟啟動功能，可以最大程度降低浪涌電流。

當(dāng)然，SIMO架構(gòu)也并非沒有缺點(diǎn)，比如：由于單電感交替為輸出提供能量，輸出電壓紋波往往較高；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(jìn)一步加劇輸出電壓紋波。不過，較高的輸出電壓紋波可以通過較大的輸出電容來抵消，即使這樣，基于SIMO的系統(tǒng)方案仍然具有占板面積小、BOM簡化的優(yōu)勢?？傊紫噍^，終歸瑕不掩瑜，這也使得SIMO PMIC成為可穿戴電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個重要技術(shù)選項(xiàng)。

下一代SIMO PMIC

正是因?yàn)镾IMO架構(gòu)鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢，Maxim Integrated近年來一直在這個方向上著力，開發(fā)出多款PMIC，形成了非常完整的產(chǎn)品組合。今年，Maxim Integrated最新推出的新一代產(chǎn)品MAX77654，更是將SIMO架構(gòu)的小尺寸、低功耗的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致。

圖4：新一代SIMO PMIC產(chǎn)品MAX77654

小尺寸

利用SIMO架構(gòu)取代3路升/降壓轉(zhuǎn)換器及3個電感，克服空間受限的挑戰(zhàn)。

內(nèi)置2路LDO/負(fù)載開關(guān)、1個電池充電器以及附加無源器件，集成度更高。

相比分立方案，系統(tǒng)方案尺寸減小50%，元件數(shù)量減少40%，BOM成本降低23%。

低功耗

MAX77654的工作效率可達(dá)91%，電池壽命延長20%，大幅提升終端用戶體驗(yàn)。

器件的關(guān)斷電流低于500nA，5路調(diào)節(jié)器僅消耗6μA電源電流。

具有較低發(fā)熱，可將系統(tǒng)電路板的溫度降低20°C以上。

圖5：新一代SIMO PMIC產(chǎn)品MAX77654框圖

設(shè)計(jì)實(shí)例研究

如果你覺得上面的描述還不夠直觀，下面我們就通過一個具體的智能手表電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例，來看看MAX77654可以為可穿戴設(shè)計(jì)帶來哪些價值。

圖6是一個典型的普通智能手表電源管理系統(tǒng)的架構(gòu)，包括一顆PMIC用來實(shí)現(xiàn)電池充電器、降壓轉(zhuǎn)換器（為微控制器供電）和LDO（為屏幕供電）。第二片IC是一顆雙通道LDO，為傳感器和Bluetooth供電。

圖6：典型的雙芯片智能手表電源管理系統(tǒng)的架構(gòu)（圖源：Maxim）

圖7是典型雙芯片智能手表電源管理系統(tǒng)完整的電源網(wǎng)絡(luò)?？梢钥吹?，在這個架構(gòu)中由于大量使用了LDO，導(dǎo)致總體效率僅為73.8%。

圖7：典型雙芯片智能手表完整的電源網(wǎng)絡(luò)（圖源：Maxim）

讓我們再來看看基于MAX77654的電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。從圖8中可以看出，由于MAX77654的高集成性，一個突出的變化就是系統(tǒng)主架構(gòu)由雙芯片變成了單芯片，大為簡化。

圖8：采用MAX77654的單芯片智能手表電源管理系統(tǒng)的架構(gòu)（圖源：Maxim）

由此，也帶來了整個電源網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化。在PMIC驅(qū)動的五個負(fù)載中，三個負(fù)載直接由高效SIMO開關(guān)調(diào)節(jié)器供電；第四和第五個負(fù)載的LDO也由SIMO供電，得益于低壓差（2V至1.8V），效率可達(dá)到90%，總體系統(tǒng)效率也可達(dá)86.2%。

圖9：采用MAX77654的單芯片智能手表完整的電源網(wǎng)絡(luò)（圖源：Maxim）

下面，我們再對兩個方案的尺寸進(jìn)行一個比對。

采用基于SIMO架構(gòu)的MAX77654 PMIC的系統(tǒng)方案，電路板面積僅需19.2mm2，比普通實(shí)現(xiàn)方法減少了41%。

而典型方案中，與PMIC方案相比，其集成度更低，使用了多個LDO以及較大的無源元件，電路板面積大約為32.4mm2，比SIMO方案大69%。

圖10：典型方案與采用MAX77654 PMIC方案的系統(tǒng)電路板面積的比較（圖源：Maxim）

結(jié)論顯而易見：采用SIMO架構(gòu)的MAX77654 PMIC方案，在空間利用率和電源效率方面都有顯著的優(yōu)勢。

表1：SIMO相對于傳統(tǒng)方案的優(yōu)勢（資料來源：Maxim）

看了上面的比對，可見Maxim將MAX77654定義為“下一代PMIC”，這樣的描述并不為過。在可穿戴設(shè)計(jì)開發(fā)的賽道上，MAX77654確實(shí)為你提供了一款新“裝備”，讓你可以更任性地馳騁，而不再被尺寸和功耗間兩難的選擇束住手腳。