工程師指南：用于移動(dòng)的設(shè)備的PMIC

PMIC是為電池供電設(shè)備實(shí)施完整電源解決方案的即用型選項(xiàng)。

移動(dòng)的設(shè)備在日益互聯(lián)和技術(shù)化的世界中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。移動(dòng)的設(shè)備以及電池供電的小工具需要多個(gè)電源軌和多個(gè)電源域?；诜至⒃?a target="_blank">電源管理解決方案增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，涉及更高的成本，并需要更多的PCB空間。電源管理IC（PMIC）將多個(gè)電壓調(diào)節(jié)器和控制電路集成到單個(gè)芯片中，是實(shí)現(xiàn)完整電源解決方案的即用型選項(xiàng)。

PMIC特性

PMIC執(zhí)行多種任務(wù)，例如調(diào)節(jié)不同類型負(fù)載的電壓電平;控制電源啟動(dòng)和關(guān)閉順序;管理電池充電和放電;以及監(jiān)控電源使用情況。它們還能防止電壓、電流和溫度波動(dòng)。

PMIC集成了幾個(gè)組件。這些器件包括開關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）、欠壓保護(hù)電路、電池充電和狀態(tài)管理電路、熱管理系統(tǒng)、用于啟用或禁用負(fù)載的開關(guān)、GPIO等。PMIC輸出端提供的調(diào)節(jié)電壓也稱為通道，因此該器件更適合稱為多通道PMIC。

開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器可以是降壓（降壓）、升壓（升壓）或兩者的組合。然而，降壓類型對于移動(dòng)的應(yīng)用更常見，因?yàn)楸还╇姷慕M件通常需要比為設(shè)備供電的鋰離子電池更低的電壓。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)非常高的效率水平，通常在90%以上。通過提高開關(guān)頻率，開關(guān)損耗顯著降低。然而，它們會(huì)引入電磁噪聲，干擾移動(dòng)的設(shè)備中敏感的高集成度元件的工作。

為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，使用LDO電壓調(diào)節(jié)器。LDO的輸出和輸入電壓差很小，出色地克服了線性穩(wěn)壓器中典型的低效率問題（輸出電壓和輸入電壓差越大，效率越低）。LDO的優(yōu)點(diǎn)包括可忽略的噪聲、緊湊的尺寸（不需要電感）和電路簡單。

其中一個(gè)例子是瑞薩電子公司（Renesas Electronics Corp）。DA9070是一款具有高集成度和可配置性的PMIC。它具有低靜態(tài)電流（Iq），專為低功耗電池應(yīng)用而設(shè)計(jì)，尤其是可穿戴設(shè)備。PMIC（圖1）由一個(gè)線性充電器組成，其中包括電源路徑管理、超低Iq降壓調(diào)節(jié)器、LDO/負(fù)載開關(guān)、寬輸出電壓升壓調(diào)節(jié)器、模擬電池監(jiān)控器、看門狗和保護(hù)功能。這些組件都包含在一個(gè)可使用I2C配置的微型晶圓級(jí)芯片級(jí)封裝（WLCSP）中

瑞薩的DA9070 PMIC用于超低功耗電池供電設(shè)備（來源：瑞薩電子公司）

時(shí)序特性允許設(shè)計(jì)人員配置PMIC輸出的開/關(guān)順序和時(shí)間延遲。這種高靈活性允許滿足移動(dòng)終端上不同組件的功率要求。例如，可以在處理器之后打開顯示器和觸摸，使得固件可以執(zhí)行所有所需的初始化。

與時(shí)序直接相關(guān)的是軟啟動(dòng)功能，包括PMIC輸出的逐步激活（通常遵循斜坡曲線）。這防止了在負(fù)載中形成不期望的浪涌電流，促進(jìn)了移動(dòng)終端的安全和平滑接通。

在常見的移動(dòng)終端上，通常存在多個(gè)PMIC，每個(gè)PMIC執(zhí)行特定功能，諸如為處理器（SoC）、相機(jī)和顯示器供電。對于某些具有特殊電氣要求的設(shè)備，可能需要專用穩(wěn)壓器。一個(gè)示例是來自意法半導(dǎo)體的STMP 30PMIC，其被設(shè)計(jì)為提供AMOLED顯示器所需的正電壓和負(fù)電壓，AMOLED顯示器在移動(dòng)的競技場中變得越來越流行。

STMP 30集成了三重DC/DC轉(zhuǎn)換器，可提供AMOLED顯示器供電所需的三個(gè)電壓（兩個(gè)正電壓和一個(gè)負(fù)電壓）。該P(yáng)MIC特別適合電池供電型器件，可通過S-Wire接口進(jìn)行配置，并具有先進(jìn)的內(nèi)置功能，例如軟啟動(dòng)、輸入欠壓鎖定、短路保護(hù)、熱關(guān)斷和低Iq真關(guān)斷模式。

PMIC對移動(dòng)的設(shè)備的好處

移動(dòng)的設(shè)備由鋰離子電池供電，并使用高密度IC實(shí)現(xiàn)，可以在很大程度上利用PMIC提供的以下設(shè)計(jì)優(yōu)勢。

高效

PMIC提供準(zhǔn)確有效的功率控制，確保電子設(shè)備接收適當(dāng)?shù)碾妷弘娖?，以?shí)現(xiàn)最佳性能。這導(dǎo)致便攜式設(shè)備中的能量效率提高和電池壽命延長。

在選擇PMIC時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須考慮其待機(jī)狀態(tài)和工作狀態(tài)下的功耗。低智商是推動(dòng)這一選擇的關(guān)鍵因素。

另一款適用于超低功耗應(yīng)用的PMIC是恩智浦半導(dǎo)體該器件（圖2）采用WLCSP 42封裝，提供四個(gè)高效1 A降壓穩(wěn)壓器、四個(gè)LDO、一個(gè)SNVS LDO和四個(gè)150 m MOSFET負(fù)載開關(guān)（LED驅(qū)動(dòng)器）。該系統(tǒng)具有兩個(gè)降壓穩(wěn)壓器，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，并提供可定制的上升和下降時(shí)間。

PCA9460是專為與i.MX 8ULP處理器配合使用而開發(fā)的，可實(shí)現(xiàn)低功耗應(yīng)用。它為尺寸和效率至關(guān)重要的低功耗可穿戴應(yīng)用提供電源解決方案。所有LDO都具有300 nA的低Iq。此外，一個(gè)LDO專門設(shè)計(jì)用于為SNVS內(nèi)核供電。

圖2：恩智浦PCA9460 PMIC（來源：恩智浦半導(dǎo)體）

高集成度

PMIC將多種功能（如電壓調(diào)節(jié)、電源時(shí)序和保護(hù)電路）集成在一個(gè)芯片中，減少了對外部元件的需求，簡化了整體設(shè)計(jì)。

占地面積小

PMIC的小尺寸非常適合移動(dòng)的設(shè)備上可用的物理空間，使設(shè)計(jì)人員能夠添加更多功能或減小PCB尺寸。

靈活性

大多數(shù)PMIC都具有可編程特性，例如電壓階躍，使設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)器件的特定要求調(diào)整電源管理解決方案。單個(gè)PMIC可以服務(wù)于多種設(shè)計(jì)，僅需要修改配置參數(shù)。

保護(hù)電路

PMIC通常提供針對欠壓/過壓、過流和過熱的保護(hù)功能，從而降低對器件及其組件造成潛在損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

測序

通過定時(shí)有序地管理各種組件的上電和掉電，PMIC可防止浪涌電流等潛在風(fēng)險(xiǎn)，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

ADI公司的MAX20356是一款緊湊靈活的電源管理解決方案，專為極高能效的可穿戴設(shè)備而設(shè)計(jì)。電源優(yōu)化的電壓調(diào)節(jié)器由幾個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，降壓升壓轉(zhuǎn)換器和線性穩(wěn)壓器。這些穩(wěn)壓器提供高集成度，可創(chuàng)建完全優(yōu)化的電源架構(gòu)。每個(gè)穩(wěn)壓器的Iq極低，可在始終處于活動(dòng)狀態(tài)的應(yīng)用中延長電池壽命。

具有低噪聲特性的1.5 W降壓-升壓轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)高效的電源轉(zhuǎn)換，專為PPG和SpO2監(jiān)測等光學(xué)心率系統(tǒng)中的LED量身定制。MAX20356還配有一個(gè)nano-Iq快速瞬態(tài)LDO，專為模擬前端傳感器而設(shè)計(jì)。

電池管理

PMIC監(jiān)控電池的充電和放電過程，延長電池的使用壽命和安全運(yùn)行。此外，它們還可以監(jiān)控電池狀態(tài)，并提供真實(shí)的功耗信息。

盡管使用PMIC為設(shè)計(jì)提供了顯著的優(yōu)勢，但需要注意的是，與分立式解決方案相比，PMIC需要對器件進(jìn)行仔細(xì)的配置和編程，并且可能并不總是完全適應(yīng)特定應(yīng)用的功率要求。

審核編輯 黃宇