現(xiàn)代設計，需要怎樣的 PMIC？

現(xiàn)今的電源管理 IC 將多軌降壓、升壓和 LDO 穩(wěn)壓功能與每個電軌的參數(shù)，以及與其他電軌間交互的復雜可配置能力整合在一起。

經驗豐富的電路設計人員都清楚，穩(wěn)定、準確、高效的直流 (DC) 供電軌是實現(xiàn)系統(tǒng)可靠、一致運行的必要條件。通常由 DC/DC 開關穩(wěn)壓器（轉換器）和低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 組合提供各種電壓，每一個穩(wěn)壓器都與其所支持的電軌的特定電壓、電流、精度、噪聲、瞬態(tài)響應以及其他需求相匹配。

與此同時，設計人員還清楚，即使單獨適用，一組獨立的 DC 電軌也不足以滿足當今設計的復雜要求。從系統(tǒng)角度來說，在相鄰的物理位置使用 4 個、6 個或更多個 DC 電軌并不罕見。由于使用了大量電軌，單獨以及按組管理這些電軌至關重要，以便確保滿足定時、時序及相互關系的需求（圖1）。

圖 1：當今的系統(tǒng)使用由升壓、降壓和 LDO 穩(wěn)壓器提供的多個直流電軌陣列，雖然它們有獨立的輸出，但操作需要配置，而且輸出在一定程度上也必須根據(jù)應用的特定需求進行協(xié)調。

這時，電源管理集成電路 (PMIC) 就要發(fā)揮重要作用。顧名思義，這個組件管理著多個電軌，并編排電軌之間的交互，以滿足系統(tǒng)的特定需求。盡管早一代的 PMIC 主要管理其他 DC/DC 穩(wěn)壓器，但當今的 PMIC 則與多個開關轉換器和 LDO 集成在同一封裝內。當然，這種集成具有許多顯著的優(yōu)勢，包括縮小整體尺寸、減少所需無源組件以及實現(xiàn)各種電軌之間緊密的功能聯(lián)系。此外，最新一代 PMIC 在設計方面還具有高度可配置性，以便根據(jù)其所驅動系統(tǒng)的優(yōu)先級調整操作。

應用推動 PMIC 的需求

每個電子產品都有一個電源以及一個或多個 DC 電軌。盡管許多應用在一定程度上具有類似的優(yōu)先級，但優(yōu)先級的排序及其相對權重決定了這些應用的差異。就單個 DC 電軌管理以及這些電軌之間的關系、定時和操作要求而言，不存在同時滿足所有情況的最優(yōu) PMIC 解決方案。

例如，用于傳感和驅動的物聯(lián)網 (IoT) 設備可能處于近乎連續(xù)的上電狀態(tài)，位于遠程位置，使用電池供電或者使用某種形式的能量采集設備供電。由于給定設施（辦公室、工廠）的多個物聯(lián)網 (IoT) 設備都位于遠程位置，因此確保長期的性能一致性至關重要。相比之下，對于消費類電子產品，這主要涉及最大化運行時間和電池使用壽命，以及采用小型封裝，但超小型封裝可能不太易用。對于可穿戴設備，優(yōu)先考慮因素包括低靜態(tài)電流、高效率和超緊湊的外形。

因此，良好的 PMIC 首先需具備一組滿足應用需求的降壓、升壓和 LDO 轉換器。對于更高級的情況和更高性能，如果 PMIC 可以提供 DC 軌道，并允許設計人員定制 PMIC 的性能細節(jié)，以匹配應用的優(yōu)先級，那么設計人員可從中受益。這些 PMIC 也面臨難免要做出取舍決策的設計現(xiàn)實。評估和解決這些沖突是設計人員面臨的固有挑戰(zhàn)。

圖2：Qorvo ACT81460 是一款集成度高的低功耗多軌 PMIC，無需任何外部有源元件即可工作。

從基本的可配置 PMIC 開始

即使是基本的 PMIC 也可以提供增強系統(tǒng)性能和簡化設計的功能和特性。例如，Qorvo ACT81460 的輸入電壓范圍為 2.7V 至 5.8V，并且包含 1 個線性電池充電器、4 個帶集成功率場效應晶體管 (FET) 的 DC/DC 轉換器、3 個 LDO 和 3 個負載開關（）。其中 2 個 DC/DC 轉換器為降壓穩(wěn)壓器，1 個為升壓/降壓穩(wěn)壓器，而第 4 個為高壓升壓穩(wěn)壓器（能夠提供高達 20V 電壓）。每個穩(wěn)壓器都可通過其 I2C 接口配置較寬范圍的輸出電壓。

此類 PMIC 不僅可以實現(xiàn)高度集成，還具有可配置的電源時序組合、啟動定時、輸出電壓設置、故障監(jiān)測、中斷控制、可編程 GPIO 選項等諸多特性。通過 I2C 接口，可使用固件進一步調整預先配置的出廠默認配置設置。

3 個負載開關形成了一個有趣的附加功能?？墒褂闷浯蜷_或關閉供電軌，為可關閉的系統(tǒng)負載創(chuàng)建一個功率孤島。無需使用這些負載時，可最大程度地降低功耗。此外，每個負載開關都可整合到 PMIC 的啟動時序中，同時支持可編程的打開和關閉延遲時間。ACT81460 還可通過 20V 輸入電壓阻斷能力和啟動時涌浪電流控制的組合，處理熱插拔事件。

對于更高級的情況和更高性能，如果 PMIC 可以提供 DC 軌道，并允許設計人員定制 PMIC 的性能細節(jié)，以匹配應用的優(yōu)先級，那么設計人員可從中受益。

進一步優(yōu)化高級 PMIC

為滿足當今系統(tǒng)更復雜的需求，PMIC 必須加大其輸出范圍，提升其原始 DC 性能，改進其附加功能，并提高用戶定義的靈活性。此外，它們必須將這些增強與更高級別的功能集成整合在一起，以減少電源管理功能的總占用面積。

了解到這一挑戰(zhàn)后，Qorvo 開發(fā)了一系列高度集成的可配置創(chuàng)新電源 (CiPS?) 解決方案，作為一種智能片上系統(tǒng) (SoC)，通過消除大多數(shù)外部元件精簡設計流程和最終設計硬件。該解決方案最終提高了設計效率和靈活性，大大縮小了占用面積，降低了物料清單 (BOM) 中的成本，提高了系統(tǒng)性能和可靠性，并縮短了上市時間。

ActiveCiPS?系列中的每個設備都可以通過 I2C 接口或非易失性配置矩陣進行配置。

可根據(jù)應用進行調整的諸多參數(shù)包括：

輸出電壓電平。

上電/關斷時序

時序開關延遲時間

GPIO 配置：軟/硬復位、中斷、面向外部供電軌的可配置時序/控制、LED 散熱器

不斷變化的 IC UVLO 和 OVLO 閾值

調整 DVS 配置設置

設置交換機 Fsw

LDO1 模式設置 — LDO/負載開關

多個睡眠模式

例如：ACT88329PMIC 具有 4 個使用集成功率 FET 的 DC/DC 降壓轉換器（其中 1 個具有旁路功能），以及 2 個 LDO；每個穩(wěn)壓器都可以配置較寬范圍的輸出電壓（圖 3）。此外，還可通過 I2C 接口配置（甚至重新配置）其他功能，如啟動時間、系統(tǒng)級時序、開關頻率、睡眠模式和工作模式，且無需更改電路板。ActiveCiPS? PMIC 用戶希望通過 USB-to-I2C 電子狗和 GUI 快速建立甚至更改其設計設置，以優(yōu)化其特定設計的性能，而簡易可配置性是其中的一個關鍵因素（圖 4）。

圖3：Qorvo ACT88329 PMIC 支持配置關鍵穩(wěn)壓器功能、時序、開關頻率以及其他工作模式，以優(yōu)化系統(tǒng)級性能。

圖4：設計人員可以使用各種參數(shù)配置來評估性能，然后使用 Qorvo 提供的 GUI 和連接到 ACTIVECiPS? PMIC 的 PC 輕松地進行重新配置，以實現(xiàn)性能優(yōu)化。

這款小巧的 36 引腳 WLCSP 封裝 (2.7mm x 3 mm) 設備結合了高集成度和 I2C 可配置性，使整體解決方案的占地面積約為分立式替代解決方案的三分之一，并大大減少了 BOM（圖 5）。

圖5：使用 ActiveCiPS? PMIC 系列設備的另一個好處就是高度集成，占用面積遠小于功能類似的分立式方案。

評估套件，GUI 整合一切

將可配置設備融入設計會引發(fā)兩個相關問題。對于固定功能的設備，僅數(shù)據(jù)表即可定義操作參數(shù)和包絡，但設計人員必須確定最佳設置，然后在這種情況下實現(xiàn)可配置設備的這些值。為簡化此流程，Qorvo 為其 ActiveCiPS? PMIC 系列提供了評估套件和編程電子狗。其中包括設置、調整和評估 PMIC 在給定應用中的性能所需的所有硬件、軟件以及鉤子。

以 ACT88329 PMIC 及其評估套件為例。這款采用 30 引腳 WLCSP 封裝的 2.18mm x 2.58 mm 設備經過優(yōu)化，不僅適用于固態(tài)硬盤 (SSD) 和現(xiàn)場可編程柵極陣列 (FPGA) 應用，還非常適合視頻處理器、FPGA、可穿戴設備、外設以及微控制器（圖6）。

圖6：您可以借助 ActiveCiPS TM 電子狗調試您的設計，并現(xiàn)場更改板上的 PMIC 默認設置。

ACT88329 包括 3 個使用集成功率 FET 的 DC/DC 降壓轉換器和 2 個 LDO。Buck1 和 LDO1 可配置為負載開關。Buck1 是峰值電流模式的固定頻率 DC/DC 降壓轉換器，并且針對接近輸入電壓的輸出電壓進行了優(yōu)化?？蓪㈤_關頻率設置為 1.125MHz 或 2.25MHz，并且只需三個小元件即可工作。Buck2 和 Buck3 采用異步恒定導通時間控制架構，可使用較小的輸出電容優(yōu)化負載瞬態(tài)響應。兩個 LDO 都只需要使用小型陶瓷電容。

配置這款靈活的多功能設備涉及檢查和表征多個參數(shù)。

配置這款靈活的多功能設備涉及檢查和表征多個參數(shù)。使用相應的ACT88329EVK1-101 評估套件可大大簡化這項任務（圖7）。使用該套件只需要幾個標準的工程項目。（如果您沒有電子負載，則功率水平足夠低（大約幾十瓦），可以使用傳統(tǒng)的電阻負載，但電子負載更具多功能性）。以下是所需的一切：

隨附的 USB-to-I2C“電子狗”

電源（滿功率運行時為3.3V/4A）

示波器（100MHz，雙通道）

電子或電阻負載（3A 最小電流能力）

數(shù)字萬用表 (DMM)

Windows 兼容計算機，帶有可用的 USB 端口

圖7：使用 ACT88329EVK1-101 評估套件來運用 ACT88329 PMIC 需要標準的工作臺儀表以及套件隨附的 USB-to-I2C 接口電子狗。

基于 PC 的 GUI 以基本模式開始，用戶可輕松更改 1 個或多個 IC 設置（圖8）。

圖8：Qorvo 提供的基于 PC 的 GUI 配備易于使用的屏幕，比如這個用于開始配置流程的基本屏幕。

基本模式之后就是高級模式，設計人員可查看所有可用的用戶可編程選項（圖9）。

圖9：GUI 的后續(xù)屏幕可用于更深入地了解可配置選項。

通過使用評估套件布局，設計人員可以設置、評估和修改這些 PMIC 的許多工作參數(shù)和模式，如電軌之間的時序（圖10）。該套件還可簡化品質因數(shù)的測量，如各種條件下的效率，這對滿足運行時和散熱目標至關重要（圖11）。

圖10：通過使用評估套件和相關儀表，設計人員可以配置、評估和重新配置關鍵參數(shù)，如各種供電軌的相對時序。

圖11：評估套件還簡化了重要性能指標的測量，如在不同工作條件下各種 PMIC 電軌的效率，圖中所示為 ACT88329 PMIC 的 Buck1 和 Buck2。

如果設計人員想使用該套件作為自己實現(xiàn)方案的起點，EVK 用戶指南還提供了完整的原理圖、BOM 及其 PC 板的四層布局。

審核編輯 黃宇