电源管理集成电路的研究设计

现今的电源管理 IC 将多轨降压、升压和 LDO 稳压功能与每个电轨的参数，以及与其他电轨间交互的复杂可配置能力整合在一起。

经验丰富的电路设计人员都清楚，稳定、准确、高效的直流 (DC) 供电轨是实现系统可靠、一致运行的必要条件。通常由 DC/DC 开关稳压器(转换器)和低压降稳压器 (LDO) 组合提供各种电压，每一个稳压器都与其所支持的电轨的特定电压、电流、精度、噪声、瞬态响应以及其他需求相匹配。

与此同时，设计人员还清楚，即使单独适用，一组独立的 DC 电轨也不足以满足当今设计的复杂要求。从系统角度来说，在相邻的物理位置使用 4 个、6 个或更多个 DC 电轨并不罕见。由于使用了大量电轨，单独以及按组管理这些电轨至关重要，以便确保满足定时、时序及相互关系的需求(图 1)。

图 1：当今的系统使用由升压、降压和 LDO 稳压器提供的多个直流电轨阵列，虽然它们有独立的输出，但操作需要配置，而且输出在一定程度上也必须根据应用的特定需求进行协调。

这时，电源管理集成电路 (PMIC) 就要发挥重要作用。顾名思义，这个组件管理着多个电轨，并编排电轨之间的交互，以满足系统的特定需求。尽管早一代的 PMIC 主要管理其他 DC/DC 稳压器，但当今的 PMIC 则与多个开关转换器和 LDO 集成在同一封装内。当然，这种集成具有许多显著的优势，包括缩小整体尺寸、减少所需无源组件以及实现各种电轨之间紧密的功能联系。此外，最新一代 PMIC 在设计方面还具有高度可配置性，以便根据其所驱动系统的优先级调整操作。

应用推动 PMIC 的需求

每个电子产品都有一个电源以及一个或多个 DC 电轨。尽管许多应用在一定程度上具有类似的优先级，但优先级的排序及其相对权重决定了这些应用的差异。就单个 DC 电轨管理以及这些电轨之间的关系、定时和操作要求而言，不存在同时满足所有情况的最优 PMIC 解决方案。

例如，用于传感和驱动的物联网 (IoT) 设备可能处于近乎连续的上电状态，位于远程位置，使用电池供电或者使用某种形式的能量采集设备供电。由于给定设施(办公室、工厂)的多个物联网 (IoT) 设备都位于远程位置，因此确保长期的性能一致性至关重要。相比之下，对于消费类电子产品，这主要涉及最大化运行时间和电池使用寿命，以及采用小型封装，但超小型封装可能不太易用。对于可穿戴设备，优先考虑因素包括低静态电流、高效率和超紧凑的外形。

因此，良好的 PMIC 首先需具备一组满足应用需求的降压、升压和 LDO 转换器。对于更高级的情况和更高性能，如果 PMIC 可以提供 DC 轨道，并允许设计人员定制 PMIC 的性能细节，以匹配应用的优先级，那么设计人员可从中受益。这些 PMIC 也面临难免要做出取舍决策的设计现实。评估和解决这些冲突是设计人员面临的固有挑战。

图 2：Qorvo ACT81460 是一款集成度高的低功耗多轨 PMIC，无需任何外部有源元件即可工作。

从基本的可配置 PMIC 开始

即使是基本的 PMIC 也可以提供增强系统性能和简化设计的功能和特性。例如，Qorvo ACT81460 的输入电压范围为 2.7V 至 5.8V，并且包含 1 个线性电池充电器、4 个带集成功率场效应晶体管 (FET) 的 DC/DC 转换器、3 个 LDO 和 3 个负载开关()。其中 2 个 DC/DC 转换器为降压稳压器，1 个为升压/降压稳压器，而第 4 个为高压升压稳压器(能够提供高达 20V 电压)。每个稳压器都可通过其 I2C 接口配置较宽范围的输出电压。

此类 PMIC 不仅可以实现高度集成，还具有可配置的电源时序组合、启动定时、输出电压设置、故障监测、中断控制、可编程 GPIO 选项等诸多特性。通过 I2C 接口，可使用固件进一步调整预先配置的出厂默认配置设置。

3 个负载开关形成了一个有趣的附加功能。可使用其打开或关闭供电轨，为可关闭的系统负载创建一个功率孤岛。无需使用这些负载时，可最大程度地降低功耗。此外，每个负载开关都可整合到 PMIC 的启动时序中，同时支持可编程的打开和关闭延迟时间。ACT81460 还可通过 20V 输入电压阻断能力和启动时涌浪电流控制的组合，处理热插拔事件。

对于更高级的情况和更高性能，如果 PMIC 可以提供 DC 轨道，并允许设计人员定制 PMIC 的性能细节，以匹配应用的优先级，那么设计人员可从中受益。

进一步优化高级 PMIC

为满足当今系统更复杂的需求，PMIC 必须加大其输出范围，提升其原始 DC 性能，改进其附加功能，并提高用户定义的灵活性。此外，它们必须将这些增强与更高级别的功能集成整合在一起，以减少电源管理功能的总占用面积。

了解到这一挑战后，Qorvo 开发了一系列高度集成的可配置创新电源 (CiPS) 解决方案，作为一种智能片上系统 (SoC)，通过消除大多数外部元件精简设计流程和最终设计硬件。该解决方案最终提高了设计效率和灵活性，大大缩小了占用面积，降低了物料清单 (BOM) 中的成本，提高了系统性能和可靠性，并缩短了上市时间。

ActiveCiPS 系列中的每个设备都可以通过 I2C 接口或非易失性配置矩阵进行配置。

可根据应用进行调整的诸多参数包括：

输出电压电平。

上电/关断时序

时序开关延迟时间

GPIO 配置：软/硬复位、中断、面向外部供电轨的可配置时序/控制、LED 散热器

不断变化的 IC UVLO 和 OVLO 阈值

调整 DVS 配置设置

设置交换机 Fsw

LDO1 模式设置 — LDO/负载开关

多个睡眠模式

例如：ACT88329 PMIC 具有 4 个使用集成功率 FET 的 DC/DC 降压转换器(其中 1 个具有旁路功能)，以及 2 个 LDO;每个稳压器都可以配置较宽范围的输出电压(图 3)。此外，还可通过 I2C 接口配置(甚至重新配置)其他功能，如启动时间、系统级时序、开关频率、睡眠模式和工作模式，且无需更改电路板。ActiveCiPS PMIC 用户希望通过 USB-to-I2C 电子狗和 GUI 快速建立甚至更改其设计设置，以优化其特定设计的性能，而简易可配置性是其中的一个关键因素(图 4)。

图 3：Qorvo ACT88329 PMIC 支持配置关键稳压器功能、时序、开关频率以及其他工作模式，以优化系统级性能。

图 4：设计人员可以使用各种参数配置来评估性能，然后使用 Qorvo 提供的 GUI 和连接到 ACTIVECiPS PMIC 的 PC 轻松地进行重新配置，以实现性能优化。

这款小巧的 36 引脚 WLCSP 封装 (2.7mm x 3 mm) 设备结合了高集成度和 I2C 可配置性，使整体解决方案的占地面积约为分立式替代解决方案的三分之一，并大大减少了 BOM(图 5)。

图 5：使用 ActiveCiPS PMIC 系列设备的另一个好处就是高度集成，占用面积远小于功能类似的分立式方案。

评估套件，GUI 整合一切

将可配置设备融入设计会引发两个相关问题。对于固定功能的设备，仅数据表即可定义操作参数和包络，但设计人员必须确定最佳设置，然后在这种情况下实现可配置设备的这些值。为简化此流程，Qorvo 为其 ActiveCiPS PMIC 系列提供了评估套件和编程电子狗。其中包括设置、调整和评估 PMIC 在给定应用中的性能所需的所有硬件、软件以及钩子。

以 ACT88329 PMIC 及其评估套件为例。这款采用 30 引脚 WLCSP 封装的 2.18mm x 2.58 mm 设备经过优化，不仅适用于固态硬盘 (SSD) 和现场可编程栅极阵列 (FPGA) 应用，还非常适合视频处理器、FPGA、可穿戴设备、外设以及微控制器(图 6)。

图 6：您可以借助 ActiveCiPS TM 电子狗调试您的设计，并现场更改板上的 PMIC 默认设置。

ACT88329 包括 3 个使用集成功率 FET 的 DC/DC 降压转换器和 2 个 LDO。Buck1 和 LDO1 可配置为负载开关。Buck1 是峰值电流模式的固定频率 DC/DC 降压转换器，并且针对接近输入电压的输出电压进行了优化。可将开关频率设置为 1.125MHz 或 2.25MHz，并且只需三个小元件即可工作。Buck2 和 Buck3 采用异步恒定导通时间控制架构，可使用较小的输出电容优化负载瞬态响应。两个 LDO 都只需要使用小型陶瓷电容。

配置这款灵活的多功能设备涉及检查和表征多个参数。

配置这款灵活的多功能设备涉及检查和表征多个参数。使用相应的 ACT88329EVK1-101 评估套件可大大简化这项任务(图 7)。使用该套件只需要几个标准的工程项目。(如果您没有电子负载，则功率水平足够低(大约几十瓦)，可以使用传统的电阻负载，但电子负载更具多功能性)。以下是所需的一切：

随附的 USB-to-I2C“电子狗”

电源(满功率运行时为3.3V/4A)

示波器(100MHz，双通道)

电子或电阻负载(3A 最小电流能力)

数字万用表 (DMM)

Windows 兼容计算机，带有可用的 USB 端口

图 7：使用 ACT88329EVK1-101 评估套件来运用 ACT88329 PMIC 需要标准的工作台仪表以及套件随附的 USB-to-I2C 接口电子狗。

基于 PC 的 GUI 以基本模式开始，用户可轻松更改 1 个或多个 IC 设置(图 8)。

图 8：Qorvo 提供的基于 PC 的 GUI 配备易于使用的屏幕，比如这个用于开始配置流程的基本屏幕。

基本模式之后就是高级模式，设计人员可查看所有可用的用户可编程选项(图 9)。

图 9：GUI 的后续屏幕可用于更深入地了解可配置选项。

通过使用评估套件布局，设计人员可以设置、评估和修改这些 PMIC 的许多工作参数和模式，如电轨之间的时序(图 10)。该套件还可简化品质因数的测量，如各种条件下的效率，这对满足运行时和散热目标至关重要(图 11)。

图 10：通过使用评估套件和相关仪表，设计人员可以配置、评估和重新配置关键参数，如各种供电轨的相对时序。

图 11：评估套件还简化了重要性能指标的测量，如在不同工作条件下各种 PMIC 电轨的效率，图中所示为 ACT88329 PMIC 的 Buck1 和 Buck2。

如果设计人员想使用该套件作为自己实现方案的起点，EVK 用户指南还提供了完整的原理图、BOM 及其 PC 板的四层布局。

原文标题：现代设计，需要怎样的 PMIC?

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审核编辑：汤梓红