PMIC的作用與面臨了哪些挑戰(zhàn)

電池供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以選擇多種電源管理IC（PMIC），以便在效率，性能，占地面積和成本之間取得適當(dāng)?shù)钠胶?。但是，他們也必須迅速將設(shè)計(jì)推出門外;因此，在選擇過(guò)程中花費(fèi)太多時(shí)間，他們可以針對(duì)特定類別的設(shè)計(jì)目標(biāo)和優(yōu)先級(jí)使用針對(duì)特定應(yīng)用的，更高度優(yōu)化的解決方案。

廣泛的PMIC供應(yīng)商看到設(shè)計(jì)師努力縮短從數(shù)十個(gè)來(lái)源中選擇數(shù)千個(gè)通用PMIC所需的時(shí)間，然后添加電路以針對(duì)其特定應(yīng)用優(yōu)化這些PMIC。為了提供幫助，他們確定了可以添加到PMIC的獨(dú)特功能和屬性，以針對(duì)特定類別的設(shè)計(jì)目標(biāo)和優(yōu)先級(jí)制定特定于應(yīng)用程序，更高度優(yōu)化的解決方案。

通過(guò)選擇適合特定情況需求的PMIC，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)化其任務(wù)，降低BOM和成本，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更好的性能。作為進(jìn)一步的好處，設(shè)計(jì)人員無(wú)需嘗試使PMIC適應(yīng)這種情況，從而節(jié)省時(shí)間并最大限度地減少挫敗感。

本文將回顧PMIC的基本作用。然后，它將討論五個(gè)完全不同的PMIC挑戰(zhàn)，并描述可大大減少設(shè)計(jì)時(shí)間，精力和惡化的解決方案。

PMIC的作用

沒(méi)有單一的，普遍接受的定義由于系統(tǒng)的功率需求變化如此廣泛，PMIC或其角色。通常，PMIC負(fù)責(zé)以下一個(gè)或多個(gè)角色：

用作電壓降壓，升壓或降壓/升壓轉(zhuǎn)換器

確保提供穩(wěn)壓電流

管理主電池（非可充電電池）和二次電池（可充電電池）的放電以及二次電池的充電

管理當(dāng)電池供電時(shí)，直流導(dǎo)軌輸出，并在電池充電時(shí)這樣做（如果適用）

確保正確完成多個(gè)導(dǎo)軌之間的上升/下降時(shí)序和順序

防止電源子系統(tǒng)或電池狀況和故障（內(nèi)部短路，完全放電或不存在）造成系統(tǒng)范圍的損壞，反之亦然

但這些只是起點(diǎn)用于PMIC功能。隨著電子設(shè)備和系統(tǒng)已經(jīng)擴(kuò)展到無(wú)數(shù)應(yīng)用 - 其中許多應(yīng)用幾年前幾乎不存在 - PMIC供應(yīng)商通過(guò)添加目標(biāo)功能和特性來(lái)滿足每個(gè)利基的獨(dú)特需求，并強(qiáng)調(diào)某些性能參數(shù)以最佳匹配這些利基需要。

USB設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

USB規(guī)范經(jīng)歷了幾次主要升級(jí)，提升了速度，并使其成為一種應(yīng)用非常廣泛的直流電源，電流額定值為0.5安培（A）至5A。

PMIC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)＃1 ：使用USB互連為電池充電并提供電路電源。

USB已成為許多設(shè)備的近乎通用的充電源。設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是從作為電源的USB端口提供DC/DC電源軌調(diào)節(jié)，并且在許多情況下還管理該電源以對(duì)內(nèi)部電池充電。這樣做不僅需要電壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，還需要管理電池充電/放電曲線。后者可能非常復(fù)雜，具體取決于化學(xué)成分。

設(shè)計(jì)還必須符合USB標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范和協(xié)議，包括端口檢測(cè)和設(shè)置，電池耗盡，可以承受插入/拔出USB連接器引起的尖峰，以及所有符合USB標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)源。

PMIC解決方案：一種IC，如ADI公司的ADP5065快速充電電池具有電源路徑和USB兼容性的管理器可以滿足這些需求（圖1）。它采用4伏至5.5伏的輸入電壓工作，還可以承受高達(dá)20伏的電壓，從而最大限度地減少與USB總線“尖峰”相關(guān)的問(wèn)題。

圖1：ADI公司的ADP5065解決了與基于USB的電池充電，電池或USB電源的無(wú)縫操作以及電池缺失或放電相關(guān)的多個(gè)問(wèn)題。 （圖像來(lái)源：ADI公司）

DC/DC開(kāi)關(guān)器件工作在3兆赫茲（MHz），從專用充電器提供高達(dá)1.25 A的充電電流。充電器輸出和電池之間的內(nèi)部FET提供隔離，即使電池耗盡或不存在，它仍然可以為系統(tǒng)供電。

為此，IC實(shí)現(xiàn)了USB協(xié)議序列。電池存在檢測(cè)和死電池檢測(cè)，對(duì)滿足USB操作標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要（圖2和圖3）。這允許從USB電源立即進(jìn)行系統(tǒng)操作，而無(wú)需使用可行的電池。

圖2：ADP5065充電器主動(dòng)吸收并且將電流提供給特定的IC節(jié)點(diǎn)，并檢測(cè)電壓與時(shí)間的關(guān)系。接收相用于檢測(cè)充電電池。 （圖像來(lái)源：ADI公司）

圖3：源相用于通過(guò)在有限時(shí)間內(nèi)注入電流來(lái)檢測(cè)放電電池，并且檢查響應(yīng)。如果滿足特定標(biāo)準(zhǔn)，則IC充電器假定存在電池，并開(kāi)始新的充電周期。 （圖像來(lái)源：ADI公司）

使用ADP5605的I 2 C端口，系統(tǒng)處理器可以編程所有關(guān)鍵的充電/放電參數(shù)，包括涓流充電電流，涓流充電電壓閾值，弱電荷（恒定電流）電流水平，快速充電（恒定電流）電流水平，以及快速充電（恒定電壓）電壓水平等。

PMIC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)＃2 ：幾乎在任何情況下都能檢測(cè)，管理和保護(hù)USB端口。

PMIC解決方案：具有USB屬性的另一個(gè)PMIC是Diodes Incorporated的PI3USB9281C。該設(shè)備為任何USB設(shè)備提供外部檢測(cè)。它可以檢測(cè)任何廣泛的可用充電器，包括移動(dòng)高清鏈路（MHL）配件，OTG（On on Go）配件和車載充電器，符合CEA標(biāo)準(zhǔn)CEA-936-A（USB Carkit規(guī)范）允許使用迷你USB連接器用于UART和模擬音頻信號(hào)。它還集成了具有過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)功能的電源開(kāi)關(guān)（圖4）。 VBUSIN輸入引腳可以承受高達(dá)28伏的電壓，這對(duì)于支持USB 3.0供電的端口非常重要。

圖4：使用PI3USB9281C，設(shè)計(jì)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)一個(gè)充電器，可以檢測(cè)幾乎任何USB源，然后對(duì)其進(jìn)行操作。 （圖像來(lái)源：Diodes Incorporated）

該流程圖顯示了連接設(shè)備時(shí)USB握手和接口的復(fù)雜性（圖5）。通過(guò)將其添加到其他PMIC功能中，該IC通過(guò)USB連接器管理集成鋰離子電池的充電。如果IC未實(shí)現(xiàn)此流程圖的順序，則設(shè)計(jì)人員必須將其編碼到系統(tǒng)微控制器中。這是一個(gè)耗時(shí)且容易出錯(cuò)的過(guò)程，仍需要USB認(rèn)證。

圖5：檢測(cè)連接的USB端口和源的類型并評(píng)估其有效性并不簡(jiǎn)單，如此流程圖（狀態(tài)圖） PI3USB9281C，演示。 （圖像來(lái)源：Diodes Incorporated）

降壓，升壓操作：另一個(gè)PMIC角色

雖然有許多應(yīng)用只需要在降壓模式或升壓模式下進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)（電壓分別是降壓或升壓，還有許多需要兩種轉(zhuǎn)換。在這些情況下，PMIC不僅必須提供降壓和升壓功能，還經(jīng)常管理兩種模式之間的無(wú)縫轉(zhuǎn)換。例如，必須管理單個(gè)鋰離子電池以提供2.0伏電壓軌，因?yàn)殡姵貜?.6伏完全充電，然后降至相當(dāng)耗盡的1.6伏輸出。

< p> PMIC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)＃3 ：為幾乎所有電池化學(xué)品提供充電/放電管理

PMIC解決方案：在單一設(shè)計(jì)中解決各種化學(xué)品問(wèn)題，可以使用德州儀器（TI）bq25703A等IC。該I 2 C多化學(xué)電池降壓 - 升壓充電控制器還包括系統(tǒng)電源監(jiān)控器和處理器熱監(jiān)控器。它接受3.5伏至24伏的輸入工作電壓，并支持幾乎任何化學(xué)電池組（Li +，LiFePO4，NiCad，NiMH，鉛酸）與一至四個(gè)電池的充電（圖6）。目標(biāo)應(yīng)用包括無(wú)人機(jī)，藍(lán)牙揚(yáng)聲器，IP攝像機(jī)，筆記本電腦和平板電腦等消費(fèi)產(chǎn)品，以及工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備。

圖6：bq25703A為所有標(biāo)準(zhǔn)電池化學(xué)成分提供充電器管理;它可以在3.5伏和24伏之間的各種電源下工作，同時(shí)支持一到四個(gè)電池的電池組。 （圖像來(lái)源：德州儀器）

其主要功能是從各種輸入源為電池充電，包括USB適配器，高壓USB PD源和傳統(tǒng)適配器。即使電池完全放電或移除，它也可以使系統(tǒng)（負(fù)載）保持運(yùn)行。該IC尺寸較小 - 一個(gè)32引腳4×4 WQFN - 意味著它可以安裝在電池組內(nèi)，以增強(qiáng)系統(tǒng)的完整性和可靠性。

即使沒(méi)有電池或深度放電的電池（常見(jiàn)情況）也能提供即時(shí)啟動(dòng)，并且在充電適配器滿載時(shí)讓電池補(bǔ)充系統(tǒng)。圖7顯示了采用20伏電源的雙電池，無(wú)電池配置的bq25703A上的關(guān)鍵信號(hào)的上電時(shí)序。它顯示輸出電壓的大約10毫秒（ms）的清晰轉(zhuǎn)換總線，沒(méi)有過(guò)沖或振鈴。

圖7：bq25703A上關(guān)鍵信號(hào)的上電時(shí)序，采用雙電池，無(wú)電池配置，帶20伏電源。 （圖像來(lái)源：德州儀器公司）

使用5伏電源時(shí)，輸出電壓大約需要35 ms才能達(dá)到最終電壓（圖8）。

圖8：bq25703A上的關(guān)鍵信號(hào)的上電時(shí)序，采用雙電池，無(wú)電池配置，帶有5伏電源。 （圖片來(lái)源：德州儀器公司）

PMIC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)＃4 ：管理充電/放電/共享高壓電池，雙電池供電中的導(dǎo)軌差別很大，例如汽車12/48伏系統(tǒng)。

PMIC解決方案：另一個(gè)與電源相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題涉及在汽車中使用雙電壓總線，這一變化適用于標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)車輛以及所有 - 電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車（EV/HEV）。目前的12伏電池和總線不能提供足夠的電流和功率，而不會(huì)由于電流阻抗（IR）下降和由于I 2 R耗散引起的功率損耗而導(dǎo)致嚴(yán)重的電壓損失。雖然使用重型電纜和連接器可以減少這些損失，但這個(gè)選項(xiàng)增加了重量，空間和成本。

或者，汽車行業(yè)正在著手一種新的雙總線標(biāo)準(zhǔn)，它支持48和12伏，同時(shí)總線。然而，管理這些雙總線并優(yōu)化其有效輸送電能的能力，同時(shí)正確地為電池充電，是一項(xiàng)艱巨的設(shè)計(jì)任務(wù)。

要解決這些問(wèn)題，一種選擇是使用凌力爾特公司的LTC3871。 （現(xiàn)為ADI公司的一部分）。這是一款高性能雙向開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓控制器，可根據(jù)需要以降壓或升壓模式工作，非常適合48/12伏汽車雙電池系統(tǒng)（圖9）。

圖9：管理汽車48和12伏電池系統(tǒng)的充電，放電和共享需要雙向降壓/升壓PMIC，例如LTC3871。圖像來(lái)源：Linear Technology Corp.）

精確的電流編程回路可調(diào)節(jié)任一方向的最大電流。 LTC3871還允許兩個(gè)電池同時(shí)為負(fù)載供電。其架構(gòu)允許動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸入電壓，輸出電壓或電流，對(duì)于較高電壓電源，電壓高達(dá)100伏，對(duì)于較低電壓電源，高達(dá)30伏。這完全符合48和12伏雙母線系統(tǒng)的要求。 LTC3871還可在大約50微秒（μs）內(nèi)實(shí)現(xiàn)從降壓到升壓模式的幾乎無(wú)縫，無(wú)凸點(diǎn)的轉(zhuǎn)換（圖10）。

圖10：當(dāng)LTC3871從降壓轉(zhuǎn)換到升壓模式時(shí)，轉(zhuǎn)換幾乎是無(wú)縫的，僅需約50μs，幾乎沒(méi)有振鈴。 （圖片來(lái)源：Linear Technology）

由于該P(yáng)MIC專門針對(duì)汽車應(yīng)用，因此必須滿足該行業(yè)對(duì)晶體管結(jié)溫工作范圍（-40°C至150°C）的嚴(yán)格規(guī)范，以及對(duì)電源軌的瞬態(tài)，負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)和其他影響的免疫力。它通過(guò)使用48引腳，7 mm 2 ，LQFP塑料封裝和暴露的下側(cè)導(dǎo)熱墊來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度要求，以增強(qiáng)對(duì)印刷電路板的散熱。

微功率也帶來(lái)PMIC挑戰(zhàn)

PMIC設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)＃5 ：管理嚴(yán)重功耗受限的可穿戴設(shè)備的充電/放電，并將靜態(tài)電流降至最低。

汽車電池的功率和電壓頻譜的另一端是用于超低功耗應(yīng)用（如可穿戴設(shè)備）的PMIC。在這里，關(guān)鍵因素是高效率，精心管理各種工作模式，優(yōu)化電池充電/放電，以及極低的靜態(tài)電流和睡眠模式耗散。

ST，例如STMicroelectronics的STBC02JR基于USB的Li -ion電池充電器，LDO和負(fù)載開(kāi)關(guān)解決了這一特殊領(lǐng)域（圖11）。這款高度集成的電源管理IC還包括一個(gè)智能復(fù)位/看門狗模塊和一個(gè)保護(hù)電路模塊（PCM），以防止電池在故障條件下被損壞。

圖11：STBC02JR專為可穿戴設(shè)備等極低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)低待機(jī)和靜態(tài)功耗。 （圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

STBC02在“運(yùn)輸模式”條件下從始終連接的電池消耗的電流小于10納安（nA），以最大限度地延長(zhǎng)電池的使用壽命;使用本機(jī)時(shí)靜態(tài)電流為600μA，但未連接充電器。 IC控制電池充電/放電，其LDO從關(guān)機(jī)模式喚醒到電池模式（正常使用）約200微秒（圖12）。

圖12：在喚醒時(shí)，STBC02JR系統(tǒng)輸出（紅色）和LDO輸出（藍(lán)色）在大約200μs內(nèi)幾乎同時(shí)轉(zhuǎn)換為完全輸出，簡(jiǎn)短的20系統(tǒng)輸出軌上的μs過(guò)沖約為200 mV，LDO輸出上沒(méi)有過(guò)沖。 （圖片來(lái)源：STMicroelectronics）

隨著功耗的增加，尺寸也很重要，因此該器件采用30-bump倒裝芯片，尺寸僅為2.59×2.25 mm。此外，由于使用它的電氣暴露環(huán)境，可能會(huì)有來(lái)自用戶衣服和其他來(lái)源的靜電，STBC02在其最關(guān)鍵的引腳上具有±4千伏的人體模型（HBM）ESD保護(hù)。/p>

一些選擇提示

即使使用專用的專用IC，可用PMIC的范圍和深度也可能令人生畏，但不一定如此。首先，丟棄基本規(guī)格與應(yīng)用的頂層要求（電壓輸入，電壓輸出，電流）不匹配的那些。然后，通過(guò)查看它們提供的針對(duì)特定應(yīng)用程序問(wèn)題的特定于應(yīng)用程序的功能，進(jìn)一步縮小搜索范圍，例如：

電池充電/放電，保護(hù)

USB連接

使用/不使用電池進(jìn)行操作

物理尺寸

另請(qǐng)注意，盡管尺寸較小，但這些IC的多方面功能需要經(jīng)過(guò)深思熟慮的分析數(shù)據(jù)表，關(guān)注圖表，表格，應(yīng)用信息，效率數(shù)據(jù)，模型等等。

尋找如何解決降額和散熱問(wèn)題，啟動(dòng)和轉(zhuǎn)換模式時(shí)序，使用各種寄存器，瞬態(tài)和噪聲問(wèn)題，各種模式下的效率，印刷電路板布局指南以及無(wú)源元件的建議，視需要。

結(jié)論

設(shè)計(jì)人員面臨很多選擇對(duì)于PMIC，但通過(guò)選擇特定應(yīng)用的解決方案，他們可以縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，降低成本，減少頭痛和系統(tǒng)設(shè)計(jì)驚喜“。然而，狠抓經(jīng)常，廣泛的數(shù)據(jù)表，以實(shí)現(xiàn)這些問(wèn)題的解決，應(yīng)用針對(duì)性的PMIC的潛在好處。