本文節(jié)選自EE Times Europe的報(bào)道文章，作者：Maurizio Di Paolo Emilio
電源管理IC（PMIC）在單個(gè)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(dòng)。
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(zhǎng)的電池續(xù)航能力。在系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）、FPGA和微控制器等計(jì)算密集型系統(tǒng)中，目標(biāo)是將每瓦性能做到最大化，同時(shí)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(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）設(shè)計(jì)人員不能忽略的一個(gè)議題。PMIC解決方案提供DC電源保護(hù)、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(zhǎng)了它們的使用壽命。隨著設(shè)計(jì)工程師將更多先進(jìn)的技術(shù)和功能引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)PMIC的需求預(yù)計(jì)將在未來持續(xù)增長(zhǎng)。
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。可穿戴電子設(shè)備就是一個(gè)很好的例子。能量采集技術(shù)和最新一代超級(jí)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(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)就是如何延長(zhǎng)設(shè)備的電池續(xù)航時(shí)間。為了高效地管理可穿戴IoT設(shè)計(jì)中的電壓總線，PMIC可以通過在必要時(shí)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(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。除了設(shè)計(jì)靈活性外，PMIC還可提供保護(hù)、監(jiān)測(cè)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(kuò)展性，但效率不高。基于電容器的開關(guān)穩(wěn)壓器可以完全集成且高效，但不支持電壓可擴(kuò)展性。基于電感器的開關(guān)穩(wěn)壓器非常高效，并且可以實(shí)現(xiàn)電壓可擴(kuò)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(jì)面臨著一些挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)中必須留出足夠的物理空間給電源和熱管理措施。當(dāng)使用自然對(duì)流電源時(shí)，電源附近必須有足夠的空間以充分冷卻。如果在設(shè)計(jì)中使用強(qiáng)制風(fēng)冷，那么設(shè)計(jì)人員必須確保電源周圍能夠有足夠的空氣流動(dòng)。
Dialog半導(dǎo)體公司汽車業(yè)務(wù)部高級(jí)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(huì)產(chǎn)生更多的熱量，要設(shè)計(jì)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(jì)的整體效率對(duì)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(huì)影響器件在運(yùn)行中產(chǎn)生熱的方式，” Sandoval說。“最后，在系統(tǒng)級(jí)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(jì)通常會(huì)面臨很多困難和問題，因此需要對(duì)補(bǔ)償控制周期和特定電源管理IC的運(yùn)行有充分的了解。使用輔助設(shè)計(jì)的仿真工具可以加速和簡(jiǎn)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(gè)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(yùn)行；因此，用于汽車平臺(tái)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(zhǎng)達(dá)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(jì)、合規(guī)要求、以及測(cè)試和篩選，以確保在汽車的使用壽命內(nèi)達(dá)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(shí)提供可行的解決方案。“必須在器件中設(shè)計(jì)額外的電路來支持這種功能，因此設(shè)計(jì)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(jì)挑戰(zhàn)。
DA913X-A系列包含三個(gè)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(gè)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(gè)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）
報(bào)道全文請(qǐng)參見：
https://www.eetimes.eu/designs-from-automotive-to-wearables-tap-pmics-for-power-efficiency/
