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SIMO單電感多輸出電源技術

印寧華|Indining China|

2023-06-01 06:13:46 987

相較于傳統的DC-DC方案，單電感多輸出(SIMO)電源轉換器架構在節省空間的同時仍然保持高效率，有效延長電池壽命。傳統的DC-DC方案需要使用多個電感器件，占用空間較大，且在負載變化時需要進行頻繁的切換，容易導致效率下降和電路不穩定。單電感多輸出(SIMO)電源轉換器可以通過單個電感器件實現多路輸出，從而減少了電感器件的數量和占用空間。同時，由于SIMO架構采用了多路輸出，可以更好地適應不同的負載需求，提高了電路的效率和穩定性。

SIMO 架構概述

如今，幾乎每個電路都需要使用多個不同的電源電壓。因此，我們必須設計合適的電源管理架構，以提供所需的不同電壓軌，而通常做法是使用多個根據開關穩壓器原理工作的電壓轉換器。在該設計方法中，每個開關穩壓器都需要一個電感。對最終產品來說，它所使用的PCB尺寸越小越好，以盡可能降低相關成本。

在傳統的開關穩壓器結構中，開關穩壓器的每路輸出都需要一個獨立電感。這些電感體積大、成本高，不利于實現小尺寸封裝。為減小尺寸，有快速、緊湊和低噪聲特點的線性穩壓器成為另一選擇，但損耗較大。還有一種選擇是混合使用多路低壓差穩壓器(LDO)和 DC-DC 轉換器，但設計的體積比單獨使用 LDO 體積大。

為實現這一目標，常用方法是采用集成路線。將電路集成到芯片中對以低功耗運行的開關穩壓器和線性穩壓器十分有效。有大量高度集成的組合式開關穩壓器IC可供選擇，通常也被稱為電源管理集成電路(PMIC)。下圖為高度集成的DC-DC轉換器。

要進一步減小上圖所示電路的封裝尺寸，可以嘗試將電感集成到封裝中，下圖中采用的解決方案即是如此。它有四個通道，通常所需的大尺寸電感已集成至封裝中，因此只需要少量的外部元件。

LTM模塊系列提供高功率密度，擁有*的EMC性能，且非常堅固耐用。但是，與采用外部元件的解決方案相比，其成本更高。

此外還有第三種解決方案，它與下圖所示的概念類似，但由單電感多輸出(SIMO)轉換器組成。其中，一個電感被用作儲能器件，主要是電流儲存器件，為所有通道供電，這種方案包含多種不同的版本。電感可以在一個時間點充電，然后通過不同的通道進行部分放電。在另一種實現方案中，電感充電，對一個通道完全放電，然后這一電能耗盡的儲能器件對下一個通道執行同樣操作，再次充電和放電，以此類推，直至已為所有通道供電。

電源具有不同的特性，具體因給定的實施方案而異。總的來說，這個概念在功耗相對較低的情況下運行*。我們優化了內部MOSFET的尺寸和單個外部電感的設計，以實現低功耗。

SIMO 架構將原本需要多個分立元件的功能集成到較小封裝，為要求延長電池壽命的小尺寸設備提供了最佳方案。SIMO 架構在減少電感數量的同時仍然保持開關轉換器的效率，為小尺寸、超低功耗設計提供更好、更理想的結構。

SIMO 優勢
電感飽和電流
電感飽和電流(ISAT)是指電感值下降到規定百分比對應的電流，取決于特定磁芯材料和結構的電感磁芯尺寸。將多個電感整合為一個電感，其優勢在于便于滿足總電感尺寸的要求。SIMO 優勢如下：

節約成本、縮小尺寸
容易獲取標準元件
分時復用：如果某個系統關閉時另一個系統開啟，則可"共享"所要求的"share"所要求的 ISAT
平均：即使沒有獨占時隙，電流峰值往往發生在不同時間，從而有效降低 ISAT 要求

功耗

SIMO 轉換器通常達到了占位面積和散熱之間的最佳平衡，其結構既擁有 DC-DC 轉換器的優勢，又具有單個 DC-DC 轉換器+多個集成 LDO 架構的外形尺寸。此外，通過減少電感，也消除了電感之間的空隙，進一步降低總外形尺寸。

PMIC 具有低發熱、小尺寸優勢，適用于耳戴式和可穿戴等空間受限的電池供電設備。

PMIC 中的 SIMO

Maxim 的新型電源管理 IC (PMIC) MAX77650 和 MAX77651，采用微功耗 SIMO 升 / 降壓 DC-DC 轉換器設計。集成 150mA LDO 為噪聲敏感電路供電。SIMO 利用單個電感提供三路獨立的可編程電壓輸出，形成創新的電源管理方案。與其他分立方案相比，高度集成的 SIMO 架構有助于大大降低總方案尺寸。

SIMO 計算器

作為增值工具，還提供 SIMO 計算器幫助用戶平衡 SIMO 相關參數。該基于電子表格的計算器工具，可在頂部的對應單元格輸入系統參數。最相關的計算值用黃色突出顯示。如果某個參數超出正常范圍，相關單元將以紅色突出顯示。備注部分提供關于改善設計的指南。

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