如何通過SIMO電源轉(zhuǎn)換器架構(gòu)延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備的電池壽命

小型電子產(chǎn)品盡管電池很小，但仍有望長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。對(duì)于設(shè)計(jì)師來說，這是一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)。本應(yīng)用筆記探討了采用獨(dú)特的SIMO功率轉(zhuǎn)換器架構(gòu)設(shè)計(jì)的包含DC-DC轉(zhuǎn)換器的PMIC如何以微小的外形尺寸支持較長(zhǎng)的電池壽命。

介紹

無論是耳塞還是智能手表，小型電子產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間都很長(zhǎng)。這帶來了一個(gè)難題 對(duì)于設(shè)計(jì)師來說，因?yàn)檩^小的電池顯然具有較小的容量。然而，撇開性能預(yù)期不談，功率 這些應(yīng)用的電源必須支持子系統(tǒng)內(nèi)不同且多樣化的電壓要求 設(shè)計(jì)。這就是基于單電感多輸出（SIMO）功率轉(zhuǎn)換器的開關(guān)穩(wěn)壓器 建筑可以提供幫助。結(jié)合SIMO架構(gòu)和低靜態(tài)電流的穩(wěn)壓器可以擴(kuò)展 空間受限電子產(chǎn)品的電池壽命。

降壓-升壓 SIMO 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(shì)

讓我們仔細(xì)看看SIMO架構(gòu)如何適用于降壓-升壓穩(wěn)壓器。如果我們考慮傳統(tǒng)的 多開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們可以看到每個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器都需要一個(gè)單獨(dú)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(chǎn)品。線性 穩(wěn)壓器是另一種選擇——雖然它們確實(shí)具有更高的功耗，但它們結(jié)構(gòu)緊湊、快速且噪聲低。 還有一種基于多個(gè)低壓差穩(wěn)壓器 （LDO） 和 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的混合方法。雖然這 配置產(chǎn)生中等功率和散熱，它還產(chǎn)生比單獨(dú) LDO 更大的設(shè)計(jì)。

圖1.降壓-升壓開關(guān)穩(wěn)壓器的傳統(tǒng)架構(gòu)。

降壓-升壓SIMO轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是它可以在寬輸出范圍內(nèi)調(diào)節(jié)多達(dá)三個(gè)輸出電壓 使用單個(gè)電感器的電壓范圍。降壓-升壓拓?fù)溥€提供比 僅降壓的西莫。此外，當(dāng)一個(gè)或多個(gè)輸出電壓接近輸入電壓時(shí)，僅降壓SIMO的弱點(diǎn)就會(huì)被放大。此時(shí)，僅降壓的SIMO將需要電感器花費(fèi)太多時(shí)間，從而影響其他通道。

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

圖2.SIMO架構(gòu)框圖。

電感飽和電流（I坐） 是電感降至 70% 時(shí)的電流量度 它的價(jià)值。我坐由給定磁芯材料和結(jié)構(gòu)的電感磁芯尺寸決定。與使用 獨(dú)立的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，在 SIMO 架構(gòu)中使用單個(gè)電感器的方法具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括 以后：

更少的高 Z 高度組件

占地面積更小

時(shí)間多路復(fù)用，當(dāng)不同的特征通常不會(huì)同時(shí)使用時(shí)出現(xiàn)。這個(gè)優(yōu)勢(shì) 當(dāng)總電源電流小于各個(gè)輸出要求的總和時(shí)，變得很明顯。例如，當(dāng)您有使用不同軌電壓按順序發(fā)生的事件時(shí)，請(qǐng)考慮一下。某些藍(lán)牙系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以在激活功能之前下載。因此，與無線電關(guān)聯(lián)的電源打開時(shí)間與激活功能的時(shí)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(dú)的轉(zhuǎn)換器。

RMS（電感的額定電流）—通道不是時(shí)間多路復(fù)用的，但特性的峰值功耗通常不會(huì)同時(shí)發(fā)生，這會(huì)降低總電感I坐要求

解決 SIMO 架構(gòu)權(quán)衡問題

使用 SIMO 架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的深思熟慮的方法對(duì)于最大限度地減少任何方法自然發(fā)生的權(quán)衡的影響至關(guān)重要。因?yàn)閱蝹€(gè)電感器本質(zhì)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(dāng) SIMO 負(fù)載較重時(shí)，它可能會(huì)受到時(shí)間限制，并且為每個(gè)通道提供服務(wù)可能會(huì)有延遲，這可能會(huì)進(jìn)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(qǐng)使用更大的輸出電容;與添加相比 用于獨(dú)立 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的電感器，這仍然保持了凈占位面積/BOM 優(yōu)勢(shì)。

回到我們對(duì)小型電子設(shè)備的討論，例如耳戴式設(shè)備和可穿戴設(shè)備，電源管理IC（PMIC） 采用微功耗設(shè)計(jì)的SIMO降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器可以提供延長(zhǎng)電池壽命的有效手段。由 利用整個(gè)電池電壓范圍，因?yàn)槊總€(gè)輸出都具有降壓-升壓配置的優(yōu)點(diǎn)，例如 轉(zhuǎn)換器可以產(chǎn)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(gè)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(yōu)化設(shè)計(jì)的干擾 （EMI）、PCB 設(shè)計(jì)和負(fù)載能力。

Maxim的MAX77650和MAX77651 PMIC采用微功耗SIMO降壓-升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。PMIC 包括 集成 150mA 低壓差穩(wěn)壓器 （LDO），可為噪聲敏感型應(yīng)用提供紋波抑制。要最小化 總線信號(hào)上的串?dāng)_和下沖，可選電阻 （24Ω） 與串行數(shù)據(jù)線 （SDA） 和串行串聯(lián) 時(shí)鐘線 （SCL），還可保護(hù)器件輸入免受總線線路上高壓尖峰的影響。這些中的每個(gè)塊 穩(wěn)壓器具有低靜態(tài)電流 （每路輸出 1μA），有助于延長(zhǎng)電池壽命。因?yàn)檫@些PMIC 始終在非連續(xù)導(dǎo)通（DCM）模式下工作，電感電流在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)變?yōu)榱阒?進(jìn)一步減少串?dāng)_并防止振蕩。SIMO控制方案中的專有控制器在這些 轉(zhuǎn)換器確保及時(shí)為所有輸出提供服務(wù)。當(dāng)所有調(diào)節(jié)器都不需要維修時(shí)， 狀態(tài)機(jī)只是處于低功耗靜止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)控制器注意到監(jiān)管機(jī)構(gòu)需要維修時(shí)， 它為電感充電，直到達(dá)到峰值電流限值。隨后，電感能量放電到 相關(guān)輸出，直到電流達(dá)到零。如果多個(gè)輸出通道需要同時(shí)維修，則 控制器確保沒有輸出利用所有開關(guān)周期。相反，循環(huán)在所有之間交錯(cuò) 需要服務(wù)的輸出，跳過那些不需要服務(wù)的輸出。

功耗比較：SIMO 與傳統(tǒng)架構(gòu)

MAX77650電源樹框圖如圖3所示。四個(gè)負(fù)載中的三個(gè)連接到Li+電池 通過高效SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器。第四個(gè)負(fù)載由LDO從2.05V SIMO輸出供電， 效率達(dá)到90.2%（1.85V/2.05V）。表1提供了傳統(tǒng)功率性能的比較 架構(gòu)和 SIMO 架構(gòu)。評(píng)估板可用于MAX77650和MAX77651。

為了幫助您探索與SIMO參數(shù)相關(guān)的權(quán)衡，MAX77650產(chǎn)品頁(yè)面的設(shè)計(jì)資源選項(xiàng)卡中提供了SIMO計(jì)算器。計(jì)算器是一個(gè)基于電子表格的工具。只需輸入系統(tǒng)參數(shù) 在“計(jì)算器”選項(xiàng)卡行頂部的相應(yīng)值單元格中。該工具以黃色突出顯示 被認(rèn)為是最有趣的計(jì)算值。如果工具確定參數(shù)在外部 在正常區(qū)域中，該工具會(huì)以紅色突出顯示單元格。評(píng)論部分包括有關(guān)增強(qiáng)方法的指導(dǎo) 您的設(shè)計(jì)。

圖3.MAX77650電源樹，包含每個(gè)穩(wěn)壓器的輸出電壓、負(fù)載電流、效率和功耗。

表 1.SIMO 架構(gòu)與傳統(tǒng)架構(gòu)的功耗性能對(duì)比

總結(jié)

本應(yīng)用筆記研究了SIMO架構(gòu)，并解釋了帶有SIMO開關(guān)穩(wěn)壓器的PMIC如何 延長(zhǎng)空間受限電子設(shè)備的電池壽命。

審核編輯：郭婷