面向可穿戴设备的高效单电感双输出Buck/Boost/Buck-Boost转换器设计与实现

《Integrated Circuits and Systems》：A Single-Inductor-Dual-Output Buck/Boost/Buck-Boost Converter for Wearable Devices

本刊推荐：为满足可穿戴电子设备对多路输出、小尺寸和高效率电源管理芯片的需求，研究人员开展了一种采用全异步突发模式控制的单电感双输出（SIMO）Buck/Boost/Buck-Boost转换器研究。该转换器通过固定峰值电感电流和自适应休眠机制，在轻载时显著降低静态功耗，实现91.0%的峰值效率，最大输出纹波仅27.0mV，且负载瞬态响应无过冲/下冲，为可穿戴设备提供了高效稳定的电源解决方案。

　　

随着智能手表、健康监测手环等可穿戴电子设备的普及，人们对电源管理芯片提出了更严苛的要求：需要同时为多个功能模块（如处理器、传感器、通信模块）提供不同电压的电源，且必须满足小尺寸、高效率和低纹波等关键指标。传统方案采用多个独立DC-DC转换器，导致系统体积庞大、成本高昂。单电感多输出（SIMO）转换器通过共享单一电感实现多路输出，显著缩小了方案尺寸，但面临轻载效率低、输出纹波大、负载瞬态响应慢等技术挑战。

现有SIMO控制策略主要有时间复用（TM）控制和有序功率分配控制（OPDC）两类。OPDC虽驱动能力强，但在可穿戴设备长期休眠、负载仅毫安级的典型场景下，其"每周期对所有输出放电"的机制会造成不必要的开关损耗。而TM控制配合不连续导通模式（DCM）仅在需要时对特定输出充电，更契合实际应用需求。然而，轻载时静态功耗占比升高，传统突发模式依赖时钟或数字控制器，导致峰值效率低、纹波大，难以满足便携设备要求。

为突破这些瓶颈，复旦大学与共模半导体有限公司的研究团队在《Integrated Circuits and Systems》发表论文，提出一种采用全异步突发模式控制的单电感双输出Buck/Boost/Buck-Boost转换器。该设计通过固定峰值电感电流和智能休眠机制，在保证低纹波的同时显著提升轻载效率，且无需相位补偿即可实现全模式稳定，为可穿戴设备提供了创新的电源管理方案。

关键技术方法包括：1）采用静态电流传感的峰值/过零电流比较器（IPEAK/IZC），通过镜像管比例缩放技术精准检测开关管电流；2）全异步状态机控制，实现突发（Burst）、高阻（HZ）和休眠（Sleep）三状态自主切换；3）多模式功率拓扑结构，支持Vin1（3.3-5V）输入时的双路Buck模式、Vin2（1.1-1.6V）输入时的Boost（Vout1）与自动增益Buck-Boost（Vout2）模式；4）基于小信号扰动法的稳定性分析，验证所有工作模式的传递函数特性。

II. 工作原理

通过模块化设计实现灵活配置。功率级包含M1-M7 MOSFET开关、电阻梯（RDAC）、电流比较器和外接电感/电容。当任一输出电压低于参考值时，系统立即进入突发状态，电感按需充电。充电完成后进入HZ状态，若延迟时间内无新需求则转入休眠状态关闭比较器等电路，大幅降低静态功耗。

切换逻辑采用锁存机制防止误触发，峰值/过零信号均为窄脉冲，实现全异步控制。Vin1输入时电感连接SWA1-SWB，双输出均工作于Buck模式；Vin2输入时连接SWA2-SWB，Vout1为Boost模式，Vout2为三状态自动增益Buck-Boost模式，后者通过固定时长第二状态降低导通损耗和纹波。

III. 峰值/过零电流比较器

创新采用静态电流传感架构。以IPEAK1为例，通过1/k宽长比的传感管（SNSFET）镜像主开关管M1电流，利用共栅（CG）比较器输入级和偏置电流I_th设定阈值。路由电阻R_p在对称设计下不影响阈值精度，最终实现I=kI_th的线性检测关系。

IZC比较器设正阈值以补偿传播延迟期间的电流衰减。该架构无需串联采样电阻，避免额外损耗，同时通过电流缩放降低偏置功耗。

IV. 直流分析

建立输出纹波、最大负载与峰值电流的量化关系。单个脉冲输出电压升压ΔV=(∫i_outdt-I_loadT_pw)/C，连续脉冲数n由有效迟滞电压V_hys(eff)决定。Vin1输入时双路Buck模式满足I_load1+I_load2<0.5I_peak；Vin2输入时Boost模式负载限为I_load<(V_in/2V_out)I_peak，Buck-Boost模式采用三状态操作降低纹波。

V. 交流稳定性分析

通过小信号扰动法推导各模式传递函数。Buck模式在V_out<2V_in/3时极点位于左半平面；Boost模式传递函数仅含单一左半平面极点，全范围稳定；Buck-Boost模式极点表达式各项均为正，同样保持稳定。

SIMPLIS仿真显示所有子转换器相位裕度超过60°，验证系统固有稳定性，无需相位补偿即可实现快速负载响应。

VI. 测量结果

基于180nm BCD工艺的芯片实测表明：无负载时最小开关频率约4kHz，满负载（双路各25mA）下最大纹波27.0mV。负载瞬态测试（1mA?20/24mA）显示输出电压无过冲/下冲，切换时间近似为零；线瞬态测试（Vin1:3.3V?5V，Vin2:1.1V?1.6V）仅见纹波频率变化，无稳定性问题。

效率曲线在1mA-25mA负载范围内保持平坦，峰值效率91.0%（77.5mW）。损耗分析显示导通损耗占比最大，轻载时静态功耗占比增幅不足1%，证实突发模式的有效性。

本研究通过全异步控制、多模式拓扑优化和稳定性理论验证，成功实现了一款高性能SIMO转换器。其固定峰值电流设计有效限制纹波，智能休眠机制显著提升轻载效率，且无需外部补偿即实现快速负载响应。与同类设计相比，在峰值效率（91.0% vs 89.1%）、纹波控制（27mV vs 32mV）和芯片面积（0.88mm2 vs 1.7mm2）等方面均具优势，为可穿戴设备电源管理提供了兼具理论创新和实用价值的解决方案。