工程师指南：用于移动的设备的PMIC

PMIC是为电池供电设备实施完整电源解决方案的即用型选项。

移动的设备在日益互联和技术化的世界中发挥着至关重要的作用。移动的设备以及电池供电的小工具需要多个电源轨和多个电源域。基于分立元件的电源管理解决方案增加了设计的复杂性，涉及更高的成本，并需要更多的PCB空间。电源管理IC（PMIC）将多个电压调节器和控制电路集成到单个芯片中，是实现完整电源解决方案的即用型选项。

PMIC特性

PMIC执行多种任务，例如调节不同类型负载的电压电平;控制电源启动和关闭顺序;管理电池充电和放电;以及监控电源使用情况。它们还能防止电压、电流和温度波动。

PMIC集成了几个组件。这些器件包括开关DC/DC电压转换器、低压差线性稳压器（LDO）、欠压保护电路、电池充电和状态管理电路、热管理系统、用于启用或禁用负载的开关、GPIO等。PMIC输出端提供的调节电压也称为通道，因此该器件更适合称为多通道PMIC。

开关DC/DC转换器可以是降压（降压）、升压（升压）或两者的组合。然而，降压类型对于移动的应用更常见，因为被供电的组件通常需要比为设备供电的锂离子电池更低的电压。

开关转换器可以实现非常高的效率水平，通常在90%以上。通过提高开关频率，开关损耗显著降低。然而，它们会引入电磁噪声，干扰移动的设备中敏感的高集成度元件的工作。

为了克服这个缺点，使用LDO电压调节器。LDO的输出和输入电压差很小，出色地克服了线性稳压器中典型的低效率问题（输出电压和输入电压差越大，效率越低）。LDO的优点包括可忽略的噪声、紧凑的尺寸（不需要电感）和电路简单。

其中一个例子是瑞萨电子公司（Renesas Electronics Corp）。DA9070是一款具有高集成度和可配置性的PMIC。它具有低静态电流（Iq），专为低功耗电池应用而设计，尤其是可穿戴设备。PMIC（图1）由一个线性充电器组成，其中包括电源路径管理、超低Iq降压调节器、LDO/负载开关、宽输出电压升压调节器、模拟电池监控器、看门狗和保护功能。这些组件都包含在一个可使用I2C配置的微型晶圆级芯片级封装（WLCSP）中

瑞萨的DA9070 PMIC用于超低功耗电池供电设备（来源：瑞萨电子公司）

时序特性允许设计人员配置PMIC输出的开/关顺序和时间延迟。这种高灵活性允许满足移动终端上不同组件的功率要求。例如，可以在处理器之后打开显示器和触摸，使得固件可以执行所有所需的初始化。

与时序直接相关的是软启动功能，包括PMIC输出的逐步激活（通常遵循斜坡曲线）。这防止了在负载中形成不期望的浪涌电流，促进了移动终端的安全和平滑接通。

在常见的移动终端上，通常存在多个PMIC，每个PMIC执行特定功能，诸如为处理器（SoC）、相机和显示器供电。对于某些具有特殊电气要求的设备，可能需要专用稳压器。一个示例是来自意法半导体的STMP 30PMIC，其被设计为提供AMOLED显示器所需的正电压和负电压，AMOLED显示器在移动的竞技场中变得越来越流行。

STMP 30集成了三重DC/DC转换器，可提供AMOLED显示器供电所需的三个电压（两个正电压和一个负电压）。该PMIC特别适合电池供电型器件，可通过S-Wire接口进行配置，并具有先进的内置功能，例如软启动、输入欠压锁定、短路保护、热关断和低Iq真关断模式。

PMIC对移动的设备的好处

移动的设备由锂离子电池供电，并使用高密度IC实现，可以在很大程度上利用PMIC提供的以下设计优势。

高效

PMIC提供准确有效的功率控制，确保电子设备接收适当的电压电平，以实现最佳性能。这导致便携式设备中的能量效率提高和电池寿命延长。

在选择PMIC时，设计人员必须考虑其待机状态和工作状态下的功耗。低智商是推动这一选择的关键因素。

另一款适用于超低功耗应用的PMIC是恩智浦半导体该器件（图2）采用WLCSP 42封装，提供四个高效1 A降压稳压器、四个LDO、一个SNVS LDO和四个150 m MOSFET负载开关（LED驱动器）。该系统具有两个降压稳压器，可实现动态电压调节，并提供可定制的上升和下降时间。

PCA9460是专为与i.MX 8ULP处理器配合使用而开发的，可实现低功耗应用。它为尺寸和效率至关重要的低功耗可穿戴应用提供电源解决方案。所有LDO都具有300 nA的低Iq。此外，一个LDO专门设计用于为SNVS内核供电。

图2：恩智浦PCA9460 PMIC（来源：恩智浦半导体）

高集成度

PMIC将多种功能（如电压调节、电源时序和保护电路）集成在一个芯片中，减少了对外部元件的需求，简化了整体设计。

占地面积小

PMIC的小尺寸非常适合移动的设备上可用的物理空间，使设计人员能够添加更多功能或减小PCB尺寸。

灵活性

大多数PMIC都具有可编程特性，例如电压阶跃，使设计人员能够根据器件的特定要求调整电源管理解决方案。单个PMIC可以服务于多种设计，仅需要修改配置参数。

保护电路

PMIC通常提供针对欠压/过压、过流和过热的保护功能，从而降低对器件及其组件造成潜在损坏的风险。

测序

通过定时有序地管理各种组件的上电和掉电，PMIC可防止浪涌电流等潜在风险，从而提高系统的可靠性。

ADI公司的MAX20356是一款紧凑灵活的电源管理解决方案，专为极高能效的可穿戴设备而设计。电源优化的电压调节器由几个降压转换器，降压升压转换器和线性稳压器。这些稳压器提供高集成度，可创建完全优化的电源架构。每个稳压器的Iq极低，可在始终处于活动状态的应用中延长电池寿命。

具有低噪声特性的1.5 W降压-升压转换器用于实现高效的电源转换，专为PPG和SpO2监测等光学心率系统中的LED量身定制。MAX20356还配有一个nano-Iq快速瞬态LDO，专为模拟前端传感器而设计。

电池管理

PMIC监控电池的充电和放电过程，延长电池的使用寿命和安全运行。此外，它们还可以监控电池状态，并提供真实的功耗信息。

尽管使用PMIC为设计提供了显著的优势，但需要注意的是，与分立式解决方案相比，PMIC需要对器件进行仔细的配置和编程，并且可能并不总是完全适应特定应用的功率要求。

审核编辑 黄宇