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(jiān)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(zhàn)，并對電池壽命提出了額外的挑戰(zhàn)。該設計解決方案提供了一種創(chuàng)新的電源管理系統(tǒng)，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(xiàn)

典型的耳戴式電源管理系統(tǒng)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(xiàn)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(chuàng)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(wěn)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(wěn)壓器實現(xiàn)了三個利用單個電感的開關穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(tǒng)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(wěn)壓器。開關穩(wěn)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(wěn)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(xù)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(yōu)勢

將耳戴式設備與標準立體聲藍牙耳機區(qū)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(tǒng)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(yōu)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(wěn)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(jié)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(tǒng)尺寸。

審核編輯：郭婷