想一想我們的抽屜里，有多少當初興沖沖入手，如今卻在默默接灰的可穿戴設備？它們之所以會被棄用，其中很重要的一個原因就是續航能力差強人意。連一貫傲嬌的蘋果，當年都曾因為Apple Watch不足一天的待機時間遭到群嘲，可想而知應對“更小的體積、更長續航”這個可穿戴設計的難題，并不容易。
在解決這一難題中，PMIC（電源管理集成電路）的選擇是關鍵中的關鍵。PMIC的作用是將傳統的多路輸出電源封裝在一顆芯片內，在為設備中不同功能電路提供高效率的電源轉化的同時，更是具備高集成、小型化的優勢。
不過，到了可穿戴設備這種要求更為苛刻的應用場景中，傳統的PMIC仍然會感到“不適應”，于是PMIC廠商在產品設計上針對可穿戴應用做了不少優化，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）電源轉換器技術的PMIC，尤其顯得獨樹一幟，很值得深入了解一番。
想要參透SIMO PMIC的奧妙之處，首先要來說說這個“SIMO”技術。
大家知道，如果單純從外形上考慮，LDO線性穩壓器是最具優勢的電源管理器件，它速度快、尺寸小且噪聲低，但是由于功耗較大，且不能實現升壓轉換，所以并不是可穿戴設備電源管理問題的完美解決方案。為了獲得較高的電源轉換效率，DC-DC開關穩壓器在PMIC中被廣泛應用。但是在傳統的多通道DC-DC開關穩壓器中，每個開關調節器都需要一個獨立的電感（如圖1），這些電感物理尺寸大、成本高，對于小尺寸設計非常不利。于是，有人提出了一種使用多路LDO與DC-DC轉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，但設計尺寸仍然大于單獨的LDO結構……這種“魚和熊掌不可兼得”的局面，確實讓人很糾結。
圖1：傳統架構的多路升/降壓DC-DC開關調節器，需要多個電感（圖源：Maxim）
而SIMO技術的出現，打破了這一僵局。與傳統開關穩壓器應用中為每個DC-DC轉換器都配備一個專屬電感不同，SIMO技術是讓多個轉換器共享一個電感——可支持多達三路輸出電壓——通過減少個頭大、成本高的電感入手，大大減少了系統的體積（如圖2）。
這種“共享電感”的設計是通過一個專有的控制器來實現的，它確保所有輸出都能夠及時達到能量支持。在任何通道的調節器都沒有要求能量支持的情況下，狀態機會停留在低功耗狀態。一旦控制器識別出某個調節器需要伺服，則會對電感充電，直到達到峰值限流值。接下來，電感電能對相關輸出進行放電，直到電流達到零。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占開關周期，而是在要求伺服的輸出之間交替分配開關周期，不需要伺服的輸出將被跳過。
圖2：SIMO架構實現了多個DC-DC開關調節器共享一個電感（圖源：Maxim）
SIMO架構還帶來了另外一個好處。在這種時間復用的機制下，多數情況中，系統的不同功能并非同時使能，因此不會產生各個功能電路功耗峰值疊加的情況，這使得SIMO架構對電感飽和電流Isat的要求小于單個轉換器要求的電流。這對于電感的選型，無疑會帶來很大的靈活性。
可以說，SIMO架構在低功耗和小尺寸之間找到了一個最佳平衡點。眾所周知，低功耗對于散熱受限的小尺寸應用極其重要，圖3中對于不同類型的電源管理技術熱能的耗散進行了比較，可以看到，與帶有多個LDO的DC-DC轉換器或簡單的多路DC-DC轉換器相比，Maxim Integrated基于SIMO技術的MAX77650 PMIC在散熱和尺寸方面優勢明顯。
圖3：可穿戴應用中，不同電源管理架構散熱和尺寸特性的比較（圖源：Maxim）
此外，Maxim Integrated在SIMO PMIC的設計中，還提供了轉換器的每路升壓/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，可優化效率、輸出紋波、EMI、PCB設計及負載能力，達到最佳平衡。同時SIMO架構也提供軟啟動功能，可以最大程度降低浪涌電流。
當然，SIMO架構也并非沒有缺點，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的系統方案仍然具有占板面積小、BOM簡化的優勢。總之，利弊相較，終歸瑕不掩瑜，這也使得SIMO PMIC成為可穿戴電源系統設計中的一個重要技術選項。
正是因為SIMO架構鮮明的特點和優勢，Maxim Integrated近年來一直在這個方向上著力，開發出多款PMIC，形成了非常完整的產品組合。今年，Maxim Integrated最新推出的新一代產品MAX77654，更是將SIMO架構的小尺寸、低功耗的優勢發揮得淋漓盡致。
圖4：新一代SIMO PMIC產品MAX77654
MAX77654的工作效率可達91%，電池壽命延長20%，大幅提升終端用戶體驗。
器件的關斷電流低于500nA，5路調節器僅消耗6μA電源電流。
具有較低發熱，可將系統電路板的溫度降低20°C以上。
圖5：新一代SIMO PMIC產品MAX77654框圖
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的設計實例，來看看MAX77654可以為可穿戴設計帶來哪些價值。
圖6是一個典型的普通智能手表電源管理系統的架構，包括一顆PMIC用來實現電池充電器、降壓轉換器（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的架構（圖源：Maxim）
圖7是典型雙芯片智能手表電源管理系統完整的電源網絡。可以看到，在這個架構中由于大量使用了LDO，導致總體效率僅為73.8%。
圖7：典型雙芯片智能手表完整的電源網絡（圖源：Maxim）
讓我們再來看看基于MAX77654的電源系統的設計。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主架構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的架構（圖源：Maxim）
由此，也帶來了整個電源網絡架構的變化。在PMIC驅動的五個負載中，三個負載直接由高效SIMO開關調節器供電；第四和第五個負載的LDO也由SIMO供電，得益于低壓差（2V至1.8V），效率可達到90%，總體系統效率也可達86.2%。
圖9：采用MAX77654的單芯片智能手表完整的電源網絡（圖源：Maxim）
下面，我們再對兩個方案的尺寸進行一個比對。
采用基于SIMO架構的MAX77654 PMIC的系統方案，電路板面積僅需19.2mm2，比普通實現方法減少了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方案的系統電路板面積的比較（圖源：Maxim）
結論顯而易見：采用SIMO架構的MAX77654 PMIC方案，在空間利用率和電源效率方面都有顯著的優勢。
表1：SIMO相對于傳統方案的優勢（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。在可穿戴設計開發的賽道上，MAX77654確實為你提供了一款新“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。
現在MAX77654這款Maxim最新的PMIC
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