SIMO单电感多输出电源技术

印宁华|Indining China|

2023-06-01 06:13:46 964

相较于传统的DC-DC方案，单电感多输出(SIMO)电源转换器架构在节省空间的同时仍然保持高效率，有效延长电池寿命。传统的DC-DC方案需要使用多个电感器件，占用空间较大，且在负载变化时需要进行频繁的切换，容易导致效率下降和电路不稳定。单电感多输出(SIMO)电源转换器可以通过单个电感器件实现多路输出，从而减少了电感器件的数量和占用空间。同时，由于SIMO架构采用了多路输出，可以更好地适应不同的负载需求，提高了电路的效率和稳定性。

SIMO 架构概述

如今，几乎每个电路都需要使用多个不同的电源电压。因此，我们必须设计合适的电源管理架构，以提供所需的不同电压轨，而通常做法是使用多个根据开关稳压器原理工作的电压转换器。在该设计方法中，每个开关稳压器都需要一个电感。对最终产品来说，它所使用的PCB尺寸越小越好，以尽可能降低相关成本。

在传统的开关稳压器结构中，开关稳压器的每路输出都需要一个独立电感。这些电感体积大、成本高，不利于实现小尺寸封装。为减小尺寸，有快速、紧凑和低噪声特点的线性稳压器成为另一选择，但损耗较大。还有一种选择是混合使用多路低压差稳压器(LDO)和 DC-DC 转换器，但设计的体积比单独使用 LDO 体积大。

为实现这一目标，常用方法是采用集成路线。将电路集成到芯片中对以低功耗运行的开关稳压器和线性稳压器十分有效。有大量高度集成的组合式开关稳压器IC可供选择，通常也被称为电源管理集成电路(PMIC)。下图为高度集成的DC-DC转换器。

要进一步减小上图所示电路的封装尺寸，可以尝试将电感集成到封装中，下图中采用的解决方案即是如此。它有四个通道，通常所需的大尺寸电感已集成至封装中，因此只需要少量的外部元件。

LTM模块系列提供高功率密度，拥有*的EMC性能，且非常坚固耐用。但是，与采用外部元件的解决方案相比，其成本更高。

此外还有第三种解决方案，它与下图所示的概念类似，但由单电感多输出(SIMO)转换器组成。其中，一个电感被用作储能器件，主要是电流储存器件，为所有通道供电，这种方案包含多种不同的版本。电感可以在一个时间点充电，然后通过不同的通道进行部分放电。在另一种实现方案中，电感充电，对一个通道完全放电，然后这一电能耗尽的储能器件对下一个通道执行同样操作，再次充电和放电，以此类推，直至已为所有通道供电。

电源具有不同的特性，具体因给定的实施方案而异。总的来说，这个概念在功耗相对较低的情况下运行*。我们优化了内部MOSFET的尺寸和单个外部电感的设计，以实现低功耗。

SIMO 架构将原本需要多个分立元件的功能集成到较小封装，为要求延长电池寿命的小尺寸设备提供了最佳方案。SIMO 架构在减少电感数量的同时仍然保持开关转换器的效率，为小尺寸、超低功耗设计提供更好、更理想的结构。

SIMO 优势
电感饱和电流
电感饱和电流(ISAT)是指电感值下降到规定百分比对应的电流，取决于特定磁芯材料和结构的电感磁芯尺寸。将多个电感整合为一个电感，其优势在于便于满足总电感尺寸的要求。SIMO 优势如下：

节约成本、缩小尺寸
容易获取标准元件
分时复用：如果某个系统关闭时另一个系统开启，则可"共享"所要求的"share"所要求的 ISAT
平均：即使没有独占时隙，电流峰值往往发生在不同时间，从而有效降低 ISAT 要求

功耗

SIMO 转换器通常达到了占位面积和散热之间的最佳平衡，其结构既拥有 DC-DC 转换器的优势，又具有单个 DC-DC 转换器+多个集成 LDO 架构的外形尺寸。此外，通过减少电感，也消除了电感之间的空隙，进一步降低总外形尺寸。

PMIC 具有低发热、小尺寸优势，适用于耳戴式和可穿戴等空间受限的电池供电设备。

PMIC 中的 SIMO

Maxim 的新型电源管理 IC (PMIC) MAX77650 和 MAX77651，采用微功耗 SIMO 升 / 降压 DC-DC 转换器设计。集成 150mA LDO 为噪声敏感电路供电。SIMO 利用单个电感提供三路独立的可编程电压输出，形成创新的电源管理方案。与其他分立方案相比，高度集成的 SIMO 架构有助于大大降低总方案尺寸。

SIMO 计算器

作为增值工具，还提供 SIMO 计算器帮助用户平衡 SIMO 相关参数。该基于电子表格的计算器工具，可在顶部的对应单元格输入系统参数。最相关的计算值用黄色突出显示。如果某个参数超出正常范围，相关单元将以红色突出显示。备注部分提供关于改善设计的指南。

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