電源管理集成電路的研究設(shè)計(jì)

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(gè)電軌的參數(shù)，以及與其他電軌間交互的復(fù)雜可配置能力整合在一起。

經(jīng)驗(yàn)豐富的電路設(shè)計(jì)人員都清楚，穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效的直流 (DC) 供電軌是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可靠、一致運(yùn)行的必要條件。通常由 DC/DC 開關(guān)穩(wěn)壓器(轉(zhuǎn)換器)和低壓降穩(wěn)壓器 (LDO) 組合提供各種電壓，每一個(gè)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(yīng)以及其他需求相匹配。

與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還清楚，即使單獨(dú)適用，一組獨(dú)立的 DC 電軌也不足以滿足當(dāng)今設(shè)計(jì)的復(fù)雜要求。從系統(tǒng)角度來說，在相鄰的物理位置使用 4 個(gè)、6 個(gè)或更多個(gè) DC 電軌并不罕見。由于使用了大量電軌，單獨(dú)以及按組管理這些電軌至關(guān)重要，以便確保滿足定時(shí)、時(shí)序及相互關(guān)系的需求(圖 1)。

圖 1：當(dāng)今的系統(tǒng)使用由升壓、降壓和 LDO 穩(wěn)壓器提供的多個(gè)直流電軌陣列，雖然它們有獨(dú)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(yīng)用的特定需求進(jìn)行協(xié)調(diào)。

這時(shí)，電源管理集成電路 (PMIC) 就要發(fā)揮重要作用。顧名思義，這個(gè)組件管理著多個(gè)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(dāng)今的 PMIC 則與多個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器和 LDO 集成在同一封裝內(nèi)。當(dāng)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(shí)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(shè)計(jì)方面還具有高度可配置性，以便根據(jù)其所驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)先級調(diào)整操作。

應(yīng)用推動(dòng) PMIC 的需求

每個(gè)電子產(chǎn)品都有一個(gè)電源以及一個(gè)或多個(gè) DC 電軌。盡管許多應(yīng)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(quán)重決定了這些應(yīng)用的差異。就單個(gè) DC 電軌管理以及這些電軌之間的關(guān)系、定時(shí)和操作要求而言，不存在同時(shí)滿足所有情況的最優(yōu) PMIC 解決方案。

例如，用于傳感和驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備可能處于近乎連續(xù)的上電狀態(tài)，位于遠(yuǎn)程位置，使用電池供電或者使用某種形式的能量采集設(shè)備供電。由于給定設(shè)施(辦公室、工廠)的多個(gè)物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備都位于遠(yuǎn)程位置，因此確保長期的性能一致性至關(guān)重要。相比之下，對于消費(fèi)類電子產(chǎn)品，這主要涉及最大化運(yùn)行時(shí)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(shè)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(yīng)用需求的降壓、升壓和 LDO 轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)人員定制 PMIC 的性能細(xì)節(jié)，以匹配應(yīng)用的優(yōu)先級，那么設(shè)計(jì)人員可從中受益。這些 PMIC 也面臨難免要做出取舍決策的設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)。評估和解決這些沖突是設(shè)計(jì)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(qiáng)系統(tǒng)性能和簡化設(shè)計(jì)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(gè)線性電池充電器、4 個(gè)帶集成功率場效應(yīng)晶體管 (FET) 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、3 個(gè) LDO 和 3 個(gè)負(fù)載開關(guān)()。其中 2 個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器為降壓穩(wěn)壓器，1 個(gè)為升壓/降壓穩(wěn)壓器，而第 4 個(gè)為高壓升壓穩(wěn)壓器(能夠提供高達(dá) 20V 電壓)。每個(gè)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(shí)現(xiàn)高度集成，還具有可配置的電源時(shí)序組合、啟動(dòng)定時(shí)、輸出電壓設(shè)置、故障監(jiān)測、中斷控制、可編程 GPIO 選項(xiàng)等諸多特性。通過 I2C 接口，可使用固件進(jìn)一步調(diào)整預(yù)先配置的出廠默認(rèn)配置設(shè)置。

3 個(gè)負(fù)載開關(guān)形成了一個(gè)有趣的附加功能。可使用其打開或關(guān)閉供電軌，為可關(guān)閉的系統(tǒng)負(fù)載創(chuàng)建一個(gè)功率孤島。無需使用這些負(fù)載時(shí)，可最大程度地降低功耗。此外，每個(gè)負(fù)載開關(guān)都可整合到 PMIC 的啟動(dòng)時(shí)序中，同時(shí)支持可編程的打開和關(guān)閉延遲時(shí)間。ACT81460 還可通過 20V 輸入電壓阻斷能力和啟動(dòng)時(shí)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(shè)計(jì)人員定制 PMIC 的性能細(xì)節(jié)，以匹配應(yīng)用的優(yōu)先級，那么設(shè)計(jì)人員可從中受益。

進(jìn)一步優(yōu)化高級 PMIC

為滿足當(dāng)今系統(tǒng)更復(fù)雜的需求，PMIC 必須加大其輸出范圍，提升其原始 DC 性能，改進(jìn)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(qiáng)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(shè)計(jì)流程和最終設(shè)計(jì)硬件。該解決方案最終提高了設(shè)計(jì)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(shí)間。

ActiveCiPS 系列中的每個(gè)設(shè)備都可以通過 I2C 接口或非易失性配置矩陣進(jìn)行配置。

可根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整的諸多參數(shù)包括：

輸出電壓電平。

上電/關(guān)斷時(shí)序

時(shí)序開關(guān)延遲時(shí)間

GPIO 配置：軟/硬復(fù)位、中斷、面向外部供電軌的可配置時(shí)序/控制、LED 散熱器

不斷變化的 IC UVLO 和 OVLO 閾值

調(diào)整 DVS 配置設(shè)置

設(shè)置交換機(jī) Fsw

LDO1 模式設(shè)置 — LDO/負(fù)載開關(guān)

多個(gè)睡眠模式

例如：ACT88329 PMIC 具有 4 個(gè)使用集成功率 FET 的 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器(其中 1 個(gè)具有旁路功能)，以及 2 個(gè) LDO;每個(gè)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(dòng)時(shí)間、系統(tǒng)級時(shí)序、開關(guān)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(shè)計(jì)設(shè)置，以優(yōu)化其特定設(shè)計(jì)的性能，而簡易可配置性是其中的一個(gè)關(guān)鍵因素(圖 4)。

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

圖 4：設(shè)計(jì)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(jìn)行重新配置，以實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。

這款小巧的 36 引腳 WLCSP 封裝 (2.7mm x 3 mm) 設(shè)備結(jié)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(shè)備的另一個(gè)好處就是高度集成，占用面積遠(yuǎn)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(shè)備融入設(shè)計(jì)會(huì)引發(fā)兩個(gè)相關(guān)問題。對于固定功能的設(shè)備，僅數(shù)據(jù)表即可定義操作參數(shù)和包絡(luò)，但設(shè)計(jì)人員必須確定最佳設(shè)置，然后在這種情況下實(shí)現(xiàn)可配置設(shè)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(shè)置、調(diào)整和評估 PMIC 在給定應(yīng)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(shè)備經(jīng)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(yīng)用，還非常適合視頻處理器、FPGA、可穿戴設(shè)備、外設(shè)以及微控制器(圖 6)。

圖 6：您可以借助 ActiveCiPS TM 電子狗調(diào)試您的設(shè)計(jì)，并現(xiàn)場更改板上的 PMIC 默認(rèn)設(shè)置。

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

配置這款靈活的多功能設(shè)備涉及檢查和表征多個(gè)參數(shù)。

配置這款靈活的多功能設(shè)備涉及檢查和表征多個(gè)參數(shù)。使用相應(yīng)的 ACT88329EVK1-101 評估套件可大大簡化這項(xiàng)任務(wù)(圖 7)。使用該套件只需要幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的工程項(xiàng)目。(如果您沒有電子負(fù)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(fù)載，但電子負(fù)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(yùn)行時(shí)為3.3V/4A)

示波器(100MHz，雙通道)

電子或電阻負(fù)載(3A 最小電流能力)

數(shù)字萬用表 (DMM)

Windows 兼容計(jì)算機(jī)，帶有可用的 USB 端口

圖 7：使用 ACT88329EVK1-101 評估套件來運(yùn)用 ACT88329 PMIC 需要標(biāo)準(zhǔn)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(gè)或多個(gè) IC 設(shè)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(gè)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(shè)計(jì)人員可查看所有可用的用戶可編程選項(xiàng)(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(xiàng)。

通過使用評估套件布局，設(shè)計(jì)人員可以設(shè)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(shí)序(圖 10)。該套件還可簡化品質(zhì)因數(shù)的測量，如各種條件下的效率，這對滿足運(yùn)行時(shí)和散熱目標(biāo)至關(guān)重要(圖 11)。

圖 10：通過使用評估套件和相關(guān)儀表，設(shè)計(jì)人員可以配置、評估和重新配置關(guān)鍵參數(shù)，如各種供電軌的相對時(shí)序。

圖 11：評估套件還簡化了重要性能指標(biāo)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(shè)計(jì)人員想使用該套件作為自己實(shí)現(xiàn)方案的起點(diǎn)，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。

原文標(biāo)題：現(xiàn)代設(shè)計(jì)，需要怎樣的 PMIC?

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審核編輯：湯梓紅