支持多轨电源时序控制与高可靠性的现代电源管理IC

支持多轨电源时序控制与高可靠性的现代电源管理IC

图源：eliosdnepr/Stock.adobe.com

作者：Bill Schweber，贸泽专稿

发布日期：2026年5月7日

电源管理集成电路 (PMIC) 在当今复杂且高精度的多轨电源系统中发挥着关键作用。早期PMIC主要用于监控各电源轨电压以确保其维持在额定公差范围内，并防范欠压、过压及故障情况；而现代PMIC则集成了更加丰富的功能与特性，包括：

· 系统保护：通过热管理、欠压和过压保护以及电流监测来保护设备

· 上电时序控制：对系统中各子电路的电源轨上电顺序进行控制，以避免器件损坏，并消除上电毛刺带来的不良影响

· 保护系统免受即将发生的断电影响：在主电源轨问题导致稳压器输出断电之前进行检测并发出警报

· 其他功能：看门狗定时器、手动复位及备用电池切换

此外，还存在一些面向特定应用、集成附加功能的PMIC，包括：

· 电压转换与稳压：集成降压或升压稳压器，将主直流电源轨转换为所需的电压

· 电池管理：管理电池的充放电循环，包括监控和安全功能

PMIC的基本监控功能较为简单，主要用于监测DC/DC稳压器的输出直流电压，并确保其处于规定的范围内。如果输出电压过低，电路中的IC将运行异常，部分功能和IC会被激活，而其他则会关闭或仅部分激活。PMIC通过锁定机制禁止电源轨向负载供电，这一功能称为欠压锁定 (UVLO)。当电源轨电压过高时，可能会对负载及相关IC造成损坏。在这种情况下，PMIC会启用过压保护 (OVP)，以防止过高电压进入电路。

通常，电源子系统设计人员希望该子系统在通电后立即按预期运行。任何所需的更改（例如通过PMBus调整稳压模块的输出电压）都是在模块已正常运行且稳定的状态下进行的。

然而，尽管某些PMIC功能（如定时和延迟）具备一定的可编程性，但通常采用硬件固化实现，无法依赖软件配置。原因在于，依赖软件配置PMIC较为复杂：若PMIC需等待处理器进行初始化或配置，而处理器又因PMIC尚未启用电源轨而无法正常运行，系统将可能陷入不确定甚至危险的竞争状态。

实际上，这将导致双方陷入一种“相互依赖、无法先行启动”的僵局。因此，对于PMIC而言，“可编程”通常是指用户可以通过选择电阻和电容值，对硬件进行编程。

下文将详细地探讨时序控制、上电毛刺、早期故障检测以及备用电池切换等高级功能。

时序控制

PMIC监视器与时序控制器在功能上存在一定程度的重叠。监视器通常监控单个电源轨，并在预定义条件下触发或释放复位信号。而时序控制器则管理两个或多个电源轨之间复位信号与电源就绪信号的相对时序。这些功能通常集成在单个器件中。

PMIC的一项基本任务是协调两条稳压直流电源轨的时序，以确保电源按正确顺序为电路供电。例如，在启用任何对外输入输出之前，处理器核心应已上电、正在执行代码并处于正常工作状态，因为任何“未受控”的I/O都可能将输出位设置为错误状态，从而引发意想不到的结果。

在此相对简单的场景中，PMIC会监控第一个稳压器的输出（ 图1 ）。一旦PMIC判定其输出电压轨达到预设值（有时由PMIC设计固定，或由用户通过选定的电阻进行设定），即启动时序控制功能。随后，PMIC会延迟一段预设时间（通常由用户通过电阻设定），然后再启动第二个稳压器。通过这种方式，可确保在第一个电源轨稳定且其所支持的功能获得充分供电之前，第二个电源轨不会被启动。

图 1：该电路采用MAX16161监控电路IC，管理两个电源轨之间的电源轨**时序控制。（图源：Analog Devices）

如今，许多设计包含两个以上的直流电源轨，这对时序控制提出了更高的复杂性要求。因此，供应商提供了四通道（甚至更多通道）的电源时序控制器。图2中的示例IC结合了基本的高精度监控功能和四通道时序控制器。

图2：LTC2928用于管理上电和断电时序，并允许用户控制关键参数。（图源：Analog Devices）

该IC仅需少量基本外部无源元件，即可帮助设计人员配置关键参数，包括时序门限、顺序和定时参数。该器件支持的四路电源轨可按照所需顺序启用。此外，还可通过级联多个器件来支持更多设备，从而扩展通道数量。该IC同样支持关断时序控制，这是上电时序控制的补充功能，对于系统性能和完整性往往同样至关重要。

尽管大多数PMIC为通用器件，但对于需要复杂多轨供电的应用处理器，也提供了专用PMIC解决方案。此类PMIC消除了额外的设计时间、成本及相关风险。图3所示的可配置多轨PMIC已通过测试，可满足特定FPGA的关键启动要求，包括单调电压斜坡和受控电压轨上升时间。

图3：TPS75003可配置多轨PMIC专为FPGA系列产品设计，可提供时序控制功能，并集成三个电源控制器。（图源：Texas Instruments）

管理启动不一致问题

在系统启动过程中，设计人员关注的不仅是各电压轨是否达到其标称值，还包括它们在过渡过程中的表现。即使是升降压曲线或各电源轨之间的时序存在短暂的不规则，也可能导致下游器件出现非预期行为。

在多电源轨系统中，不同子系统可能会根据其内部阈值和初始化要求，对部分或中间电压水平做出不同的响应。这种差异化响应可能导致启动行为不一致，尤其是在依赖明确复位条件才能正常运行的处理器和数字逻辑中更为明显。这类问题通常难以定位，因为它们涉及稳压器动态特性、负载条件、温度以及器件参数偏差等多种因素的相互作用。因此，系统在特定条件下看似稳定，但在实际应用中却可能出现间歇性的启动问题。

现代PMIC通过在启用下游电路之前对供电条件进行验证，并对复位信号进行严格控制，来应对上述挑战。这些PMIC确保只有在电压轨处于规定范围内且满足时序要求后，才解除设备的复位状态，从而有助于消除不可预测的启动行为，并提高整体系统可靠性。

预判早期故障

许多系统设计会假设稳压器的直流输入源始终稳定且符合规格要求，但事实并非总是如此。一旦出现不稳定情况，可能会影响整个电源子系统的性能。

若未能预见这些初级侧问题，电源故障可能会对系统产生不良影响，包括导致硬件损坏。系统电路中的此类故障很难提前检测到。如果降压型DC-DC稳压器的输入电压容限范围较宽，此类故障的风险将更加令人担忧——随着稳压器设计的改进以及监管机构对性能要求的提高，这种情况正变得越来越普遍。

因此，电源故障警报电路（ 图4 ）可通过检测系统上游电源即将发生的故障，帮助预测短期内的状况。该监控模块IC及电路会生成电源故障输出 (PFO)，作为基础预警系统；电源故障输入 (PFI) 是电源故障比较器的同相输入端。

图 4：(a) 电源故障警报通过其PF引脚检测主电源电压，从而预判即将发生的电源故障。(b) 电源故障**警报在MCU实际断电之前触发。（图源：Analog Devices）

而该PFO信号可作为高优先级中断发送至处理器，促使其在DC/DC稳压器失去稳压能力之前，利用电容“保持”储能使输出电源轨仍可用的短暂时间窗口，执行关键任务和关断程序。

该维持时间很短，通常仅为几十毫秒。但这足以让处理器执行必要的关断任务，例如将数据和关键寄存器状态保存到非易失性存储器中，并发出警报信息。断电前的实际可用时间取决于多个因素，包括稳压器子系统的设计、其输出大容量电容器的容量以及电源输出的电流消耗。

评估备用电池的必要性

某些应用会配备电池作为备用电源，因为它们需要持续运行，且必须避免在电源中断或断电期间发生数据丢失。当主电源故障时，这些电池会被切换至电源轨子系统。

支持备用电池切换功能的PMIC遵循如下简单的工作规则（ 图5 ）：当输入电源 (V CC ) 可用时，由其为输出端 (V OUT ) 供电。而当VCC断电时，则由电池电压 (V BATT ) 为VOUT供电。

图 5：这款带备用电池切换功能的微处理器监控器旨在防止主电源切换至电池电源时出现信号毛刺。（图源：Analog Devices）

该切换电路将输入电源电压与VBATT输入进行比较，并将输出连接至两者中电压较高的一方。当VCC恢复并达到稳压状态且高于VBATT时，BATT ON输出变为低电平。整个切换过程为无缝进行，对VOUT总线上的负载透明。采用合适的PMIC可避免由于二极管压降引起的电压损耗，而在传统电源切换中，采用简单的二极管“或-ing”方式连接VCC和VBATT时则会产生这种损耗。

VOUT引脚通PMIC内部开关从VCC提供有限驱动电流。当负载较大、需要更高电流时，可通过增加外部PNP晶体管进行扩展，如图5所示。

结语

现代PMIC集成了基本管理功能、监控电路、时序控制、断电预判及备用电池切换等功能，具备丰富的特性与应用能力。其中，一些器件专注于特定应用场景（例如多轨电源时序控制），而另一些则集成了多种监控与管理功能。PMIC通过管理电源子系统，确保系统在上电、运行和关机模式下均能保持稳定可靠的运行状态。

因此，设计人员无需再担心电源轨切换及性能方面的不确定性。虽然某些监控IC和电路仅具备本文所讨论的部分功能，但也有产品将这些功能集成于单一器件中，从而提供更全面、完整的解决方案。

参考资料
https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/soc-it-to-me-supercharge-with-pmic.html
https://www.ti.com/lit/an/slva769a/slva769a.pdf
https://www.analog.com/en/resources/technical-articles/choosing-off-battery-power-management-ic-for-automotive-electronics.html

作者简介

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Bill Schweber是贸泽电子的特约撰稿人，也是一位电子工程师，他撰写了三本关于电子通信系统的教科书，以及数百篇技术文章、意见专栏和产品专题报道。在过去的职业生涯中，他曾担任《EE Times》多个专题网站的技术网站经理，以及《EDN》的执行编辑和模拟编辑。在Analog Devices, Inc.* （知名的模拟与混合信号IC供应商）任职期间，他主要负责市场传播与公共关系工作；因此，他在技术公关领域的两个方面都很有经验，既能向媒体推介公司产品、故事和信息，也能作为这些信息的接收方。在担任Analog Devices市场传播职务之前，Bill曾是该公司备受推崇的技术期刊副主编，并曾在产品营销和应用工程部门工作。在此之前，Bill曾任职于Instron公司，负责材料试验机控制系统的模拟电路和电源电路设计以及系统集成工作。他拥有马萨诸塞大学电气工程硕士学位和哥伦比亚大学电气工程学士学位，是注册专业工程师，并持有业余无线电高级执照。他还策划、编写并讲授了涵盖多种工程主题的在线课程，包括MOSFET基础知识、ADC选型以及LED驱动等。