從汽車到可穿戴設(shè)備設(shè)計都要求PMIC提高功率效率

電源管理IC（PMIC）在單個芯片內(nèi)提供完整的電源管理功能。PMIC通常用于小型電池供電的設(shè)備，集成多種功能可在尺寸和功耗方面提高效率。通常集成到PMIC中的功能包括電壓轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)壓器、電池充電器、電池電量指示器和LED驅(qū)動。

低功耗PMIC必須提供緊湊的外形尺寸和高效率，以在可穿戴設(shè)備中提供較長的電池續(xù)航能力。在系統(tǒng)級芯片（SoC）、FPGA和微控制器等計算密集型系統(tǒng)中，目標是將每瓦性能做到最大化，同時優(yōu)化系統(tǒng)效率。

汽車應(yīng)用中的直流（DC）電源管理是高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）設(shè)計人員不能忽略的一個議題。PMIC解決方案提供DC電源保護、低靜態(tài)電流和減少EMI，為車載能源管理提供了較好的環(huán)境。

各種設(shè)備中采用PMIC解決方案，有助于其高效地使用電源，從而延長了它們的使用壽命。隨著設(shè)計工程師將更多先進的技術(shù)和功能引入產(chǎn)品設(shè)計中，對PMIC的需求預(yù)計將在未來持續(xù)增長。

挑戰(zhàn)

隨著微電子元件尺寸不斷縮小和功耗要求越來越高，電源管理的復(fù)雜性和重要性都日益提高?？纱┐麟娮釉O(shè)備就是一個很好的例子。能量采集技術(shù)和最新一代超級電容器的應(yīng)用可能是解決此挑戰(zhàn)的有效方法。

輕巧緊湊的可穿戴IoT設(shè)備需要極小的電池。工程師們一直在關(guān)注的一個設(shè)計重點就是如何延長設(shè)備的電池續(xù)航時間。為了高效地管理可穿戴IoT設(shè)計中的電壓總線，PMIC可以通過在必要時啟用和禁用電源塊來提供靈活性。PMIC可以使可穿戴IoT設(shè)備在兩次充電之間運行更長的時間。除了設(shè)計靈活性外，PMIC還可提供保護、監(jiān)測和控制功能。

電源管理系統(tǒng)將DC/DC電源轉(zhuǎn)換為三種不同的形式，在物理尺寸、靈活性和效率上有所不同。線性穩(wěn)壓器可以完全集成并提供電壓可擴展性，但效率不高?；?a target="_blank">電容器的開關(guān)穩(wěn)壓器可以完全集成且高效，但不支持電壓可擴展性?；?a target="_blank">電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器非常高效，并且可以實現(xiàn)電壓可擴展性，但一般無法完全集成。

電源管理子系統(tǒng)的整體設(shè)計面臨著一些挑戰(zhàn)。設(shè)計中必須留出足夠的物理空間給電源和熱管理措施。當使用自然對流電源時，電源附近必須有足夠的空間以充分冷卻。如果在設(shè)計中使用強制風冷，那么設(shè)計人員必須確保電源周圍能夠有足夠的空氣流動。

Dialog半導(dǎo)體公司汽車業(yè)務(wù)部高級副總裁Tom Sandoval表示：“為大電流軌供電的散熱挑戰(zhàn)，主要與確保器件的內(nèi)部溫度（結(jié)溫）不超過器件規(guī)定的溫度有關(guān)。更大的電流意味著更高的功率損耗，就會產(chǎn)生更多的熱量，要設(shè)計在系統(tǒng)指定環(huán)境溫度下提供大電流而又不超過其規(guī)定結(jié)溫的器件則更具挑戰(zhàn)性。”電路設(shè)計的整體效率對在給定電流水平下產(chǎn)生的熱量有重大影響。

“此外，器件所采用的封裝類型會影響器件在運行中產(chǎn)生熱的方式，” Sandoval說?！白詈?，在系統(tǒng)級別，使用各種技術(shù)來散熱，以確保器件持續(xù)在規(guī)定的結(jié)溫范圍內(nèi)工作。”

設(shè)計通常會面臨很多困難和問題，因此需要對補償控制周期和特定電源管理IC的運行有充分的了解。使用輔助設(shè)計的仿真工具可以加速和簡化PMIC解決方案的開發(fā)。

在汽車應(yīng)用中，PMIC必須解決的三個主要挑戰(zhàn)是溫度、合規(guī)性和安全性。汽車應(yīng)用要求能在–40°C至105°C的環(huán)境溫度范圍中運行；因此，用于汽車平臺的所有半導(dǎo)體器件都必須能在更寬的溫度范圍內(nèi)提供卓越的性能。

“汽車應(yīng)用要求顯著更高的質(zhì)量水平，以確保在長達十多年的使用中故障率接近于零。這涉及到元器件的設(shè)計、合規(guī)要求、以及測試和篩選，以確保在汽車的使用壽命內(nèi)達到最高質(zhì)量水平。” Sandoval說。

在汽車應(yīng)用中，安全性的許多要素都集中在預(yù)防故障上。電子元器件必須具有管理電氣故障的能力，并在故障發(fā)生時提供可行的解決方案?！氨仨氃谄骷性O(shè)計額外的電路來支持這種功能，因此設(shè)計復(fù)雜性和成本也隨之升高?！?Sandoval說。

Dialog的集成式DA913X-A系列器件提供較低的系統(tǒng)BOM成本和較小的解決方案尺寸。該器件系列的效率水平在90％以上，從而減少了為ADAS等一系列系統(tǒng)中的大電流軌供電的散熱設(shè)計挑戰(zhàn)。

DA913X-A系列包含三個器件，分別配置為單或雙輸出降壓轉(zhuǎn)換器。DA9130-A為單通道、雙相降壓轉(zhuǎn)換器，提供最高10A輸出電流。DA9131-A集成了兩個單相降壓轉(zhuǎn)換器，各提供最高5A輸出電流。DA9132-A也集成了兩個單相降壓轉(zhuǎn)換器，各提供最高3A輸出電流。該系列所有器件的輸入電壓范圍為2.5V至5.5V，輸出電壓范圍為0.3V至1.9V，適合廣泛的低電壓系統(tǒng)。需要輸出電壓超過1.9V的，可以外接一顆電阻分壓器。

DA913X-A電路框圖（圖片來源：Dialog半導(dǎo)體公司）

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