引言

隨著嵌入式系統(tǒng)日臻精進(jìn)，以應(yīng)對從邊緣人工智能(AI)、高級互聯(lián)、多媒體處理等更具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用，設(shè)計人員正越來越多地青睞片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。SoC是高度集成的器件，相較于傳統(tǒng)微控制器，在性能和功能上優(yōu)勢顯著，但也帶來了新的設(shè)計復(fù)雜性，尤其是在電源管理方面。

與通常只需單一電源電壓的簡單微控制器不同，SoC通常需要多個電源軌，每個電源軌都有特定的電壓水平、電流能力、時序要求和同步約束。倘若無法滿足這些要求，輕則導(dǎo)致工作不穩(wěn)、性能打折，重則可能對器件造成永久性損壞。

什么是SoC？

片上系統(tǒng)(SoC)是一種集成電路，能將計算機或電子系統(tǒng)的所有核心元件盡數(shù)整合于單一芯片之上。其中不僅包括中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、內(nèi)存控制器、輸入/輸出(I/O)接口，而且常常配有專用模塊，例如數(shù)字信號處理(DSP)模塊、人工智能(AI)加速器和無線通信單元（Wi-Fi、藍(lán)牙、LTE/5G等）。SoC的宗旨是在緊湊、節(jié)能的形態(tài)下實現(xiàn)高性能與豐富功能，因而成為了移動端及嵌入式應(yīng)用的不二之選。

SoC的發(fā)展始于20世紀(jì)80年代末至90年代初，當(dāng)時對更小、更高效電子設(shè)備的需求日益迫切，成為推動SoC發(fā)展的動力。早期的SoC應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)和移動電話，而隨著半導(dǎo)體技術(shù)日新月異，SoC愈發(fā)強大且功能多樣。如今，SoC已然成為現(xiàn)代消費電子設(shè)備的中流砥柱，為智能手機、平板電腦、智能手表、醫(yī)療設(shè)備、智能電視、汽車系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備等各類產(chǎn)品提供支撐。

在當(dāng)今的技術(shù)格局中，SoC的地位舉足輕重，因其能在實現(xiàn)高集成度和高性能的同時，將功耗與空間占用盡可能降低。這一點在便攜式和可穿戴設(shè)備中尤為關(guān)鍵，這類設(shè)備對電池續(xù)航和緊湊設(shè)計的要求堪稱嚴(yán)苛。此外，SoC的高集成度還減少了電路板上的元件數(shù)量，進(jìn)而簡化了設(shè)計、降低了制造成本并提高了可靠性。

SoC的主要特點包括集成度高、能效高、具備實時處理能力、支持高級連接功能。所具備的優(yōu)勢不勝枚舉，例如處理速度更快、功耗更低、系統(tǒng)尺寸更小且兼具成本效益。不僅如此，許多SoC針對特定應(yīng)用場景量身打造，通過定制與優(yōu)化，進(jìn)一步提升性能與效率，成效顯著。

什么是PMIC？

電源管理集成電路(PMIC)是一種高度專用的半導(dǎo)體器件，專為管理和調(diào)節(jié)現(xiàn)代電子系統(tǒng)的電源需求而設(shè)計。在智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設(shè)備及嵌入式系統(tǒng)等復(fù)雜設(shè)備中，PMIC不可或缺，因為這些設(shè)備內(nèi)部的多個元件需依靠不同的電壓與電流水平，才能實現(xiàn)高效穩(wěn)定工作。PMIC作為功率分配中樞，不僅能確保每個子系統(tǒng)在恰當(dāng)?shù)臅r機獲得精準(zhǔn)供電，還能優(yōu)化能源利用，從而延長電池續(xù)航并減少發(fā)熱。

通常而言，PMIC會將多項關(guān)鍵功能集成于單芯片之中，包括電壓調(diào)節(jié)（通過降壓、升壓或低壓差(LDO)穩(wěn)壓器實現(xiàn)）、電池充放電監(jiān)控、上電時序、熱管理及故障保護(hù)等。這種高度集成的特性，不僅節(jié)省了電路板空間，更簡化了設(shè)計流程，提升了系統(tǒng)整體的可靠性。

集成式電源管理的理念在20世紀(jì)80年代末至90年代初逐漸嶄露頭角，當(dāng)時早期手機、筆記本電腦等便攜式電子設(shè)備開始普及。起初，電源管理由多個體積龐大、效率低下的分立元件負(fù)責(zé)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步，制造商開始將電源管理功能集成到單個芯片中，由此催生了第一代PMIC。歷經(jīng)發(fā)展，PMIC已能支持日益復(fù)雜的電源架構(gòu)，包括動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和智能電源門控等技術(shù)，如今這些已成為節(jié)能設(shè)計中的標(biāo)配。

時至今日，PMIC已然是現(xiàn)代電子設(shè)備的基石，讓設(shè)備得以憑借更小的電池實現(xiàn)更長的續(xù)航，更高效地管理熱負(fù)荷，并滿足嚴(yán)苛的能效標(biāo)準(zhǔn)。在電池供電及空間受限的應(yīng)用場景中，每毫瓦電量與每毫米空間都彌足珍貴，PMIC的作用更是至關(guān)重要。

圖1 傳統(tǒng)電源管理與PMIC解決方案的比較

分立電源管理方案需采用多個獨立元件，如單獨的降壓轉(zhuǎn)換器、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、電池充電器及保護(hù)電路等，每個元件各司其職。這種方案雖能靈活選用貼合具體規(guī)格的元件，但往往導(dǎo)致PCB尺寸增大、設(shè)計復(fù)雜度居高不下，且熱管理與電磁干擾(EMI)控制難度增加。相比之下，PMIC將多種電源功能集成于單個芯片之中，大幅縮減了電路板空間，簡化了設(shè)計流程，還提升了系統(tǒng)整體效率。圖1展示了傳統(tǒng)分立電源管理與PMIC解決方案的差異，凸顯了集成化帶來的種種優(yōu)勢。在可穿戴設(shè)備等空間受限的應(yīng)用中，PMIC的優(yōu)勢尤為突出，這類應(yīng)用對緊湊性、低功耗及精簡的上電時序控制的要求非常嚴(yán)苛。此外，PMIC通常內(nèi)置電源監(jiān)控、故障保護(hù)及通信接口等高級功能，而這些在分立方案中往往需要額外電路才能實現(xiàn)?？傮w而言，分立方案或許適用于高度定制化或大功率系統(tǒng)，但對于現(xiàn)代緊湊型電子設(shè)計，PMIC無疑是更高效、更可靠的理想之選。

圖2 ADI公司PMIC與SoC的連接

PMIC通常通過電源接口與通信接口的組合連接至SoC，以確保供電高效且協(xié)調(diào)。PMIC借助降壓轉(zhuǎn)換器、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)等集成穩(wěn)壓器，為SoC提供所需的各類電壓軌，如內(nèi)核電壓、輸入/輸出(I/O)電壓及存儲器電壓，這些電源軌直接連接至SoC上對應(yīng)的電源輸入引腳。除了供電之外，PMIC還經(jīng)常通過I2C或SPI等數(shù)字接口與SoC進(jìn)行通信。這種通信機制使SoC能夠?qū)MIC的功能進(jìn)行控制與監(jiān)控，包括使能或禁用電源軌、調(diào)節(jié)輸出電壓、讀取故障或狀態(tài)寄存器，或是在啟動和關(guān)機過程中管理電源時序。圖2展示了PMIC與SoC對接的典型連接示意圖，清晰呈現(xiàn)了電源通路與通信通路。這種緊密集成確保了SoC能夠穩(wěn)定高效工作，在移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備等對功耗敏感的應(yīng)用中表現(xiàn)尤為突出。

通過PMIC為SoC供電時需考量的關(guān)鍵參數(shù)

當(dāng)需要集成PMIC來為SoC供電時，必須審慎評估多項關(guān)鍵參數(shù)，確保系統(tǒng)工作可靠且高效。這些參數(shù)通常源自SoC的數(shù)據(jù)手冊或技術(shù)參考手冊，其中詳細(xì)羅列了芯片的電氣及功能需求。透徹理解這些參數(shù)，是設(shè)計穩(wěn)健供電架構(gòu)的不二法門。

●   電壓要求：明確核心、I/O及外設(shè)的電源域規(guī)格。

●   電流需求：估算各電源軌的峰值與平均電流消耗。

●   上電時序：確定上電與斷電的正確順序。

●   同步約束：管理各電源軌之間的延遲與斜坡時間

●   電源模式和轉(zhuǎn)換：支持動態(tài)電源狀態(tài)以提升能效。

本指南的最終目標(biāo)，是為設(shè)計人員提供一套清晰實用的供電架構(gòu)設(shè)計框架，確保SoC能夠穩(wěn)定高效地運行。無論是SoC設(shè)計領(lǐng)域的新手，還是希望優(yōu)化現(xiàn)有方案的資深從業(yè)者，這份指南都將助您胸有成竹地應(yīng)對供電設(shè)計中的各類挑戰(zhàn)。

典型的電壓要求

每個SoC都包含多個電源域，例如內(nèi)核邏輯、I/O接口、模擬模塊和存儲器等，這些電源域往往需要各不相同的電壓等級。這些電壓通常在數(shù)據(jù)手冊的“推薦工作條件”或“電源要求”等章節(jié)中有明文規(guī)定。

●   內(nèi)核電壓(VDDCORE)：為CPU和內(nèi)部邏輯供電，通常是其中電壓最低的（例如0.8 V至1.2 V）。

●   I/O電壓(VDDIO)：為輸入/輸出接口供電，常見值包括1.8 V、2.5 V或3.3 V。

●   模擬電壓(VDDA)：為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)或鎖相環(huán)(PLL)等模擬外設(shè)供電，要求低噪聲且供電穩(wěn)定。

PMIC選型小貼士：使用低壓差穩(wěn)壓器(LDO)或降壓轉(zhuǎn)換器高效生成這些電壓。

電流需求

每條電源軌都必須提供足夠的電流，以滿足平均電流和峰值電流的雙重需求。這些數(shù)值通?？稍凇半姎馓匦浴闭鹿?jié)中找到，也可通過SoC供應(yīng)商提供的功耗建模工具進(jìn)行估算。

●   峰值電流：在啟動階段或高性能模式下所需的電流。

●   平均電流：有助于確定電源的規(guī)格大小，并為熱設(shè)計提供依據(jù)。

PMIC選型小貼士：在估算電流時，務(wù)必預(yù)留一定的安全裕度（例如20%至30%），以應(yīng)對瞬態(tài)負(fù)載和未來的擴展需求。

供電時序

許多SoC要求電源軌按特定順序開啟和關(guān)閉，以避免閂鎖、欠壓或器件損壞。這種時序通常在數(shù)據(jù)手冊的“上電/斷電序列”章節(jié)中有明確說明。

●   典型順序：核心電壓>模擬電壓>I/O電壓

●   依賴關(guān)系：一些外設(shè)或存儲器接口可能需要同步上電。

PMIC選型小貼士：選用內(nèi)置時序控制功能的PMIC，或搭配分立時序控制器，可自動實現(xiàn)供電操作。

同步約束

除了時序控制外，電源軌之間的時間配合也至關(guān)重要，包括：

●   斜坡時間：電壓達(dá)到目標(biāo)值的速度。

●   延遲時間：使能不同電源軌之間的最小等待時間。

●   保持時間：在下一階段開始之前，某一電源軌需保持穩(wěn)定的時長。

PMIC選型小貼士：參考數(shù)據(jù)手冊中的時序圖，使用可編程PMIC或微控制器GPIO來微調(diào)延遲時間。

電源模式和轉(zhuǎn)換

當(dāng)今的SoC支持多種電源模式（如激活、空閑、休眠、深度休眠），以優(yōu)化能效。每種模式可能需要不同的電壓等級，或使能/禁用特定電源軌。

●   動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)：根據(jù)工作負(fù)載調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓。

●   電源門控：關(guān)閉閑置模塊以節(jié)省功耗。

PMIC選型小貼士：選擇可通過I2C/SPI或GPIO進(jìn)行動態(tài)控制的PMIC，以實現(xiàn)電源狀態(tài)間的平滑轉(zhuǎn)換。

PMIC的應(yīng)用場景及其重要性何在？

PMIC的身影遍布大多數(shù)智能手機、平板電腦和可穿戴設(shè)備，同時也常見于筆記本電腦、超極本、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、工業(yè)及醫(yī)療設(shè)備中。

在智能手機和平板電腦這類應(yīng)用中，PMIC扮演著核心角色，肩負(fù)著確保整個設(shè)備功率分配高效、安全且智能的重任。這些移動設(shè)備是高度集成的系統(tǒng)，包含多個子系統(tǒng)，如中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、內(nèi)存、顯示屏、攝像頭、無線射頻模塊（Wi-Fi、藍(lán)牙、蜂窩網(wǎng)絡(luò)）、傳感器和存儲設(shè)備等，而每個子系統(tǒng)的電源要求各有不同。PMIC則負(fù)責(zé)實時管理這些紛繁多樣的電源要求。

深入解析PMIC在現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備中的作用

醫(yī)療設(shè)備中的PMIC肩負(fù)著多重核心使命：調(diào)節(jié)多路電壓軌、管理電池充放電與備用系統(tǒng)，確保電源切換或突發(fā)故障時能夠持續(xù)穩(wěn)定運行。以葡萄糖監(jiān)測儀、便攜式心電圖儀等便攜式或可穿戴醫(yī)療設(shè)備為例，PMIC不僅負(fù)責(zé)管理充電電池的電力輸出，通過精準(zhǔn)優(yōu)化能耗來延長設(shè)備續(xù)航，更要保障即便在低電量狀態(tài)下，設(shè)備仍能穩(wěn)定安全地發(fā)揮功能。

而在超聲設(shè)備、患者監(jiān)護(hù)儀、核磁共振掃描儀等更為復(fù)雜的系統(tǒng)中，PMIC作為主控制板的核心組件，需為模擬前端(AFE)、數(shù)字處理器、存儲器及通信模塊提供精準(zhǔn)電壓。這類系統(tǒng)對供電時序有嚴(yán)苛要求，不同子系統(tǒng)必須按既定順序上電或斷電，方能避免設(shè)備異?；驍?shù)據(jù)丟失。PMIC會依據(jù)可編程邏輯，或響應(yīng)系統(tǒng)微控制器/處理器的控制信號，自動完成這一精密的時序調(diào)度。

此外，醫(yī)療應(yīng)用中的PMIC通常配備多重冗余安全功能，如過壓保護(hù)(OVP)、欠壓保護(hù)(UVLO)、過流保護(hù)(OCP)及熱關(guān)斷等。這些功能對于保護(hù)敏感電子元件、保障患者安全而言至關(guān)重要。在植入式或可穿戴設(shè)備中，PMIC采用超低功耗設(shè)計，可能還集成了能量收集接口，以支持無線充電或利用體熱、運動等能量供電。

從集成角度看，PMIC通常安裝在醫(yī)療設(shè)備的主PCB上，具體的選型或定制設(shè)計需嚴(yán)格匹配設(shè)備的功率特性，并滿足醫(yī)療領(lǐng)域的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)（如IEC 60601）。PMIC緊湊的尺寸與高度集成的特性，既能節(jié)省電路板空間，又能提升系統(tǒng)可靠性，這兩點在醫(yī)療設(shè)備設(shè)計中均不可或缺。

PMIC的主要優(yōu)勢

●   高效性：PMIC可優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換與分配過程，減少能量損耗和發(fā)熱。這一點在電池供電設(shè)備中尤為關(guān)鍵，因為延長電池續(xù)航是此類設(shè)備的首要追求。

●   集成性：通過將電壓調(diào)節(jié)、電池充電、供電時序等多種電源功能整合到單個芯片中，PMIC降低了對分立元件的依賴。此舉不僅節(jié)省了電路板空間、簡化了設(shè)計環(huán)節(jié)，還降低了系統(tǒng)整體成本。

●   可靠性：PMIC具有內(nèi)置OVP、OCP和熱關(guān)斷等保護(hù)功能。這些安全機制提升了器件的耐用性與安全性，在醫(yī)療設(shè)備、汽車系統(tǒng)等關(guān)鍵應(yīng)用場景中至關(guān)重要。

●   定制性：許多PMIC具備可配置的特性，甚至可根據(jù)系統(tǒng)的特定供電需求進(jìn)行定制化設(shè)計，使性能調(diào)節(jié)更精準(zhǔn)、熱管理更高效，且能與主處理器或SoC實現(xiàn)無縫集成。

PMICS的其他特性

部分PMIC具備電池管理功能，可負(fù)責(zé)電池的充放電控制、健康狀態(tài)監(jiān)測及安全保護(hù)。在休眠模式和低功耗模式下，PMIC自身能耗極低，有助于降低系統(tǒng)處于閑置或待機時的功耗。

在飛速發(fā)展的可穿戴技術(shù)領(lǐng)域，低功耗、緊湊設(shè)計與功能集成是打造流暢用戶體驗的關(guān)鍵。ADI公司憑借多元化的高集成度PMIC產(chǎn)品系列，精準(zhǔn)應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，每款產(chǎn)品均針對可穿戴設(shè)備的獨特需求量身打造。

無論是開發(fā)智能手表、健康監(jiān)測設(shè)備還是健身追蹤器，這些PMIC解決方案都能在集成度、效率與性能之間找到黃金平衡點。ADI的PMIC設(shè)計始終圍繞三大核心目標(biāo)：盡可能縮減電路板空間、顯著延長電池續(xù)航、大幅簡化系統(tǒng)設(shè)計，而這些正是所有可穿戴產(chǎn)品成功的關(guān)鍵所在。參見表1。

表1 適用于全新設(shè)計的ADI PMIC

結(jié)語

片上系統(tǒng)(SoC)的供電遠(yuǎn)非簡單的電壓供給，而是一個精心協(xié)調(diào)的過程，直接關(guān)乎系統(tǒng)的穩(wěn)定性、性能與能效。隨著SoC在高端應(yīng)用中逐漸取代結(jié)構(gòu)簡單的微控制器，理解SoC的電源需求已成為每位嵌入式設(shè)計人員的必修課。

從SoC的數(shù)據(jù)手冊入手，聚焦電壓要求、電流需求、供電時序、同步約束和電源模式這五大關(guān)鍵條件，就能構(gòu)建出一套既能滿足技術(shù)規(guī)格，又能支持長期可靠性與擴展性的供電架構(gòu)。在設(shè)計方案中集成PMIC可化繁為簡，以緊湊的尺寸提供可編程時序控制、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、故障保護(hù)等功能。

無論針對可穿戴設(shè)備、工業(yè)自動化還是邊緣計算進(jìn)行設(shè)計，掌握以上電源基礎(chǔ)知識，就能滿懷信心地應(yīng)對各種復(fù)雜的基于SoC的系統(tǒng)。所以，務(wù)必要明智地規(guī)劃供電方案，讓您的設(shè)計大放異彩。

作者簡介

Hermogenes Escala是ADI公司歐洲、中東及非洲地區(qū)(EMEA)中央應(yīng)用中心(CAC)的應(yīng)用工程師。他深耕開關(guān)模式電源(SMPS)與電源管理領(lǐng)域，具有豐富的實操經(jīng)驗和深厚的技術(shù)見解。他擁有菲律賓東米沙鄢州立大學(xué)(EVSU)電子與通信工程學(xué)士學(xué)位和菲律賓馬普阿大學(xué)電力電子研究生文憑。

加入ADI前，Hermo曾在多個行業(yè)擔(dān)任設(shè)計與技術(shù)支持職務(wù)，涉足汽車儀表盤、音響系統(tǒng)、多領(lǐng)域電源設(shè)計及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，這些經(jīng)歷讓他對實際工程中的挑戰(zhàn)形成了全面而務(wù)實的認(rèn)知。他熱衷于創(chuàng)新與持續(xù)學(xué)習(xí)，擅長將復(fù)雜技術(shù)與實際應(yīng)用有機結(jié)合，搭建起二者之間的橋梁。