然而該方法與此類便攜、輕巧裝置的其他重要要求矛盾，尤其是對小尺寸的要求。本文將探討三種重要的可攜式應用，證明即使需要多個模組，圍繞單電感多輸出(SIMO)核心轉換器客製化的整合式電源管理方法，也能輕易解決此難題。
傳統電源設計難題多
傳統方案通常會使用多個開關調節器及相關電感或多個線性調節器。對於可攜式電源管理來說，SIMO架構可解決傳統方案電源效率低下和尺寸問題。
相較其他方法，該方案可以更小空間提供更高功率，支援更長的電池壽命和更小的外型尺寸。
雖然SIMO轉換器IC在整合度方面有所進步，但可能需要附加功能滿足更複雜的系統要求。這就帶來難題：有沒有可能將核心SIMO轉換器整合各種不同等級的協助工具，進而將整個電源管理系統在單個IC中實現？
以下的案例分析將SIMO技術應用到三種截然不同的可攜式應用中，進而解決此疑問。
圖2所示為典型的可充電電池系統。有交流插座頭存在時，交流插頭透過充電器為電池充電，同時透過SW2為負載供電；在無插頭的情況下，電池接管，透過SW1為系統供電。由於空間和成本限制，通常須使用多個LDO，同時利用單個開關調節器(BUCK)為最重的負載供電，且可能還需一個或多個LED驅動器，以支援IR遙控或RGB訊號。
以下針對三種不同應用對該系統進行客製化。
可充電電池系統實現高效供電
圖3所示為支援可充電電池系統的全整合SIMO PMIC方案，利用兩個升/降壓開關調節器(BB3、BB2)代替LDO(圖2中的LDO3、LDO2)，實現對兩個負載高效供電；第三個升/降壓調節器(BB1)代替圖2中的BUCK；整合的LDO1用於雜訊敏感的負載；而該方案亦整合LED驅動器。最後，圖2中的充電器和開關也整合到圖3中的充電器和電源通路模組中。
使用SIMO開關調節器相較使用線性調節器的方案，前者的電源效率和尺寸優勢較大，透過使用升/降壓調節器，即使在輸入電壓下降到輸出電壓以下時也能進行調節，進而用盡電池能量。
電視或智慧家居等的可充電遙控器皆需電源管理系統，如充電器和紅外線LED驅動器，而SIMO PMIC為此提供使用者不同選擇。
智慧電源通路供電模式
至於圖4所示為PMIC中充電器和開關的配置。智慧電源通路電路在系統(SYS)和電池之間分配功率。當交流適配器作為電源時，輸入控制環路將系統電壓(SYS)調節至4.5V(VSYS-REG)。在此情況下，充電器(電晶體T2及其相關控制)由SYS接腳供電，並為電池充電；而當交流適配器不提供輸入電源時，電池透過T2為IC電路及系統負載供電。
相比圖2的配置，由於T2既作為線性充電器(有交流適配器時)的傳輸電晶體，又作為開關(無交流適配器時)，因此此配置具有更高的矽效率。
得益於其SIMO開關調節器和高效偏置LDO，小尺寸PMIC(採用2.15mm×3.15mm×0.5mm WLP封裝)以較小損耗提供電源，PCB空間僅為21mm2，不及普通實現方法的一半。圖5所示的方案布局考量到所有被動和主動元件，圖中的PMIC採用一個線性充電器(375mA)、一個三路輸出SIMO升/降壓調節器(共300mA)、一個LED驅動器(425mA)和一個LDO(50mA)，而雙向I2C介面允許配置和檢查元件狀態。
此外，PMIC在待機模式的電流消耗僅為300nA，優於其他可用方案2倍以上的效率。此種能力及其較高效率延長寶貴的電池壽命，透過使用較小電池有效降低系統尺寸，同時延長兩次充電間的時間間隔。
非充電電池系統 實現多功能監測
圖6中更小的PMIC2可實現非充電電池系統所需的功能。
實際例子如活動監測儀和胰島素筆採用LED實現各種功能，通常由AA型或AAA型圓柱電池供電。
小尺寸PMIC供電適用於活動監測
智慧胰島素計量裝置有助於為胰島素筆加注正確數量的胰島素，並在加注結束時點亮LED，諸如身體活動、癲癇發作和睡眠監測儀等活動監測儀都同手錶般戴在手腕上，將LED發出的光調諧到各種不同頻率，穿透皮膚。
光電檢測器則檢測血液和身體組織反射的調變訊號，提供關於病人物理活動的資訊，如心率、運動和呼吸。
而SIMO PMIC是此類系統的選擇之一。圖7中的PMIC採用1個三路輸出SIMO升/降壓調節器(共300mA)、3個LED驅動器(每個3.2mA)和1個LDO(150mA)，而雙向I2C介面允許配置和檢查元件狀態。
該PMIC(採用2.15mm×2.75mm×0.7mmWLP封裝)以較小PCB面積(16mm2)實現供電。而圖7所示的方案布局考量到所有被動和主動元件。此外，PMIC在待機模式下的電流消耗僅為300nA，有效模式下僅為5.6µA。
非充電電池系統設計精簡化
圖8中精簡型PMIC3整合3個升/降壓調節器，形成最簡單、較小尺寸的非充電系統實現方法。
最小PIMC適用於鈕扣電池/感測器
考量濕度以及其他IoT感測器要求小尺寸及可靠的電源管理系統，以實現較小尺寸及最長工作時間和保存期限，具低靜態電流的SIMO PMIC是此類應用的良好選擇。如圖9所示的PMIC採用三路輸出SIMO升/降壓轉換器(共300mA)，而雙向I2C介面允許配置和檢查元件的狀態。
該PMIC(1.77mm×1.77mm×0.5mm
WLP封裝)以較小PCB面積(14mm2)實現供電。而圖9所示的方案布局考量到所有被動和主動元件。此外，PMIC在待機模式下的耗流僅為330nA，有效模式下僅為1.5µA。
PMIC設計解決電源管理挑戰
本文討論實現電池供電設備的小尺寸和高效率電源管理系統面臨的挑戰，並提出客製化的整合方案，透過將支援既定的複雜電路選擇性整合到單晶片PMIC，可發揮SIMO架構空間及電源效率優勢，並將SIMO技術應用到三種不同的可攜式應用。對於每種情況，該SIMO PMIC皆根據應用客製化，獲得的最佳結果實現較小PCB尺寸和較長電池壽命：
．第一款PMIC(MAX77278)
整合線性充電器、智慧電源通路、三路輸出SIMO升/降壓轉換器、LED驅動器和LDO，是可充電應用的良好選擇之一。
．第二款PMIC(MAX77640)
整合三路輸出SIMO升/降壓轉換器、3個LED驅動器和1個LDO，為非充電應用提供客製化的方案。
．第三款PMIC(MAX17271)
整合三路輸出SIMO升/降壓轉換器，專門為小尺寸、精簡型應用客製化。
上述客製化的電源管理實現方案，較大程度發揮SIMO架構空間和電源效率優勢，為可攜式應用提供較小尺寸、較高效率的電源管理方案。
(本文作者皆任職於Maxim)
