集成度低的典型耳戴式解決方案會導致PCB空間和功耗方面的效率低下。另一方面，單輸入多輸出（SIMO）架構可以在更小的空間內有效地提供更多功率，從而為耳戴式設備提供更長的電池壽命和更小的外形尺寸。

介紹

耳戴式設備是無線立體聲耳塞和健身監測交叉的新興市場。然而，小尺寸加劇了電子產品的小型化挑戰，并對電池壽命提出了額外的挑戰。該設計解決方案提供了一種創新的電源管理系統，可在非常小的空間內高效供電，同時為小型化耳戴式設備提供更長的電池壽命。

典型電源管理實現

典型的耳戴式電源管理系統如圖2所示。電源管理 IC （PMIC） 使用電池充電器、降壓轉換器和 LDO 為傳感器供電。第二個IC，一個雙LDO，為微控制器、藍牙和音頻供電。為簡單起見，未顯示外部無源器件。?

圖2.典型的耳戴式功率流程圖。

典型的電源樹

典型實現的完整電源樹如圖3所示。大量使用LDO導致整體效率僅為69.5%。

圖3.典型的耳戴式功率流程圖。

典型解決方案尺寸

圖2中功率流圖的所有有源和無源組件都包含在圖4所示的解決方案中。

這種典型的耳戴式解決方案占用約41.5mm的PCB面積2.相對較低的集成度以及使用多個LDO和更大的無源器件導致解決方案在空間和功耗方面效率低下。

圖4.典型的耳戴式解決方案（41.5mm2).

創新解決方案

圖5所示的電源管理IC （MAX77650）在一個芯片中集成了為傳感器（3.3V）、微控制器（1.2V）、藍牙和音頻（1.85V）供電所需的電池充電器和穩壓器。小型PMIC消除了與使用多個封裝相關的空間浪費。SIMO降壓-升壓穩壓器實現了三個利用單個電感的開關穩壓器，從而減少了必要的空間。此外，高頻操作允許使用小電感器，進一步減少所需空間。板載一個 LDO 用于噪聲敏感負載。為簡單起見，未顯示外部無源器件。

圖5.MAX77650高度集成的PMIC。

MAX77650電源樹

圖6顯示了PMIC功率樹以及每個穩壓器的輸出電壓、負載電流、效率和功耗（PD）。四個負載中的三個通過高效SIMO開關穩壓器連接到Li+電池。第四個負載由LDO從2.05V SIMO輸出供電，效率達到90.2%（1.85V/2.05V）。整體系統效率高達78.4%。

表1顯示了兩種解決方案的電源性能比較。

圖6.MAX77650電源樹

SIMO解決方案的卓越效率可顯著降低電池消耗，而其更寬的工作范圍（低至2.7V）可延長耳戴式設備的無限制運行。

西莫轉換器

圖7顯示了SIMO轉換器的框圖（除電感外，所有元件均集成在一起）。這種架構的美妙之處在于它能夠集成三個利用單個電感的開關穩壓器。開關穩壓器以最小的損耗提供功率，巧妙的架構消除了為每個開關穩壓器配備一個電感的需要。

圖7.西莫電源框圖。

電感均流

在遲滯、不連續電流控制模式下，電感以 V 的速率在 M1 和 M4 “導通”時建立電流在/L.當達到設定限值時，電流通過M2和M3_x晶體管輸送到所選輸出，如圖8所示。輸出按照其輸出比較器要求的順序提供服務。

圖8.SIMO 電流波形。

降壓-升壓架構優勢

將耳戴式設備與標準立體聲藍牙耳機區分開來的主要特征之一是集成了一個或多個光學或慣性MEMS傳感器。光學傳感器利用集成 LED 的反射來測量血氧、脈搏率或其他生命體征。為了產生足夠的光強度，LED需要在比Li+電池的典型范圍更高的電壓范圍內運行（4V至5V）。設計人員面臨著一個艱難的選擇：為系統增加一個降壓-升壓，這需要另一個IC;增加另一個電感器和更多的電容器，這占用了寶貴的空間和體積;或者犧牲信噪比，并冒著測量不準確和用戶體驗不佳的風險。SIMO降壓-升壓架構通過使用任何一個設置為所需電壓（高達5.5V）的輸出來驅動LED并優化傳感器性能，從而解決了這個問題。

在更小的空間內延長電池壽命

得益于其SIMO開關穩壓器和高效偏置LDO，小型MAX77650 PMIC （2.75mm x 2.15mm x 0.8mm WLP）可在不到典型方案一半的PCB空間內以最小的損耗提供功率。圖 9 中的解決方案布局考慮了所有有源和無源組件。

圖9.MAX77650方案（19.2mm2)

總占用電路板空間僅為 19.2mm2.此外，MAX77650待機模式下僅消耗300nA電流，工作模式下僅消耗5.6μA電流。這節省了寶貴的電池壽命，并允許使用盡可能小的電池，同時延長每次充電之間的使用時間，從而再次有助于減小系統尺寸。

審核編輯：郭婷