无论是耳机还是智能手表，小型电子产品都需要长时间运行。这给设计人员提出了一个难题，因为较小的电池显然容量较小。然而，抛开性能期望不提，这些应用的电源必须在设计中支持子系统的不同电压要求。这就是基于单电感多输出(SIMO)功率转换器架构的开关稳压器可以提供帮助的地方。结合SIMO架构和低静态电流的稳压器可以延长空间有限的电子产品的电池寿命。

Buck-Boost SIMO转换器的优势

让我们仔细看看SIMO架构是如何为buck-boost调节器工作的。如果我们考虑传统的多个开关稳压器拓扑，我们可以看到每个开关稳压器需要一个单独的电感(图1)。然而，由于电感在物理上很大且昂贵，这种方法不适合小型产品。线性稳压器是另一种选择，虽然它们确实具有更高的功耗，但它们结构紧凑，速度快，噪音低。还有一种基于多个低压差稳压器(ldo)和DC-DC转换器的混合方法。虽然这种配置产生中等功率和散热，但它也产生比单独的ldo更大的设计。

buck-boost SIMO转换器的优点是它可以在宽的输出电压范围内使用单个电感调节多达三个输出电压。降压升压拓扑还提供比仅降压SIMO更好的输出电压范围。此外，当一个或多个输出电压接近输入电压时，buck-only SIMO的弱点就会被放大。此时，仅buck的SIMO将需要电感器太长时间，从而影响其他通道。

有时你无法避免在系统中使用电感器。虽然LDO很小，但它自己永远无法提供升压功能。由于SIMO架构只需要一个电感，因此需要至少一个升压电压的解决方案几乎总是使用buck-boost SIMO。图2提供了SIMO体系结构的框图。

电感饱和电流(I(SAT))是测量电感降至其值的70%时的电流。I(SAT)是由给定磁芯材料和结构的电感的磁芯尺寸决定的。与使用单独的DC-DC转换器相比，在SIMO架构中使用单个电感器的方法具有许多优点，包括以下几点:

• 较少的高z高度分量

• 小的足迹

• 时间复用，当不同时使用不同的特征时出现。当总电源电流小于单个输出要求的总和时，这种优势就变得明显了。例如，考虑使用不同轨道电压顺序发生的事件。某些蓝牙系统中的数据可以在激活功能之前下载。因此，与r 0相关的电源在不同的时间开启，而不是激活的功能。因此，所使用的SIMO电感器所需的总I(SAT)可以小于单独转换器所需的I(SAT)。

• RMS(电感器额定电流)-通道不是时间复用的，但特征的峰值功耗通常不会同时发生，这可以降低电感器的总I(SAT)要求

处理SIMO架构的权衡

考虑周到的SIMO体系结构设计方法对于最小化使用任何方法自然发生的权衡的影响至关重要。因为单个电感本质上是为交替输出提供能量桶，所以输出电压纹波倾向于较高的一边也就不足为奇了。此外，当SIMO负载过重时，它可能会受到时间限制，并且在维修每个通道时可能会有延迟，这可能会进一步增加输出电压纹波。为了帮助抵消这些输出电压纹波的来源，使用更大的输出帽;与为单独的DC-DC转换器添加电感器相比，这仍然保持了净占地面积/BOM优势。

回到我们对小型电子设备的讨论，例如可听设备和可穿戴设备，采用微功率SIMO降压DC-DC转换器设计的电源管理ic (pmic)可以提供延长电池寿命的有效手段。通过利用整个电池电压范围，由于每个输出都具有降压升压配置的优点，这种转换器可以产生高于、低于或等于输入电压的输出电压。利用每个输出的可编程峰值电感电流等功能，可以优化效率、输出纹波、电磁干扰(EMI)、PCB设计和负载能力之间的平衡。

MAX77650和MAX77651 pmic采用微功率SIMO降压-升压DC-DC转换器设计。pmic包括一个集成的150mA低差稳压器(LDO)，为噪声敏感应用提供纹波抑制。为了最大限度地减少总线信号上的串扰和欠冲，可选电阻(24欧姆)与串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)串联，这也保护设备输入免受总线上高压尖峰的影响。这些稳压器中的每个模块具有低静态电流(每个输出1 μ A)，这有助于延长电池寿命。由于这些pmic总是在不连续传导(DCM)模式下工作，电感电流在每个周期结束时归零，以进一步减少串扰并防止振荡。这些转换器的SIMO控制方案中的专有控制器确保所有输出都能及时得到服务。当所有调节器都不需要服务时，状态机仅处于低功耗休息状态。当控制器注意到调节器需要服务时，它对电感充电，直到达到峰值电流限制。随后，电感能量释放到相关的输出，直到电流达到零。如果多个输出通道需要同时服务，控制器确保没有输出占用所有的开关周期。相反，循环在所有需要服务的输出之间交错，跳过那些不需要服务的输出。

能力比较:SIMO与传统架构

MAX77650功率树的框图如图3所示。四个负载中的三个通过高效SIMO开关调节器连接到Li+电池。第四个负载由来自2.05V SIMO输出的LDO供电，效率达到90.2% (1.85V/2.05V)。表1提供了传统体系结构和SIMO体系结构之间的功耗性能比较。评估套件可用于MAX77650和MAX77651。

为了帮助您探索与SIMO参数相关的权衡，MAX77650产品页面的Design Resources选项卡中提供了SIMO计算器。计算器是一个基于电子表格的工具。只需在计算器选项卡的行顶部的相应值单元格中输入系统参数。该工具用黄色突出显示被认为是最有趣的计算值。如果工具确定某个参数在正常区域之外，则工具将以红色突出显示该单元格。评论部分包括关于如何增强设计的指导。

总结

本应用说明研究了SIMO架构，并解释了带有SIMO开关稳压器的pmic如何延长空间受限电子设备的电池寿命。

类似版本的App Note出现在电子产品2017年12月28日。