PMIC的作用与面临了哪些挑战

电池供电系统的设计人员可以选择多种电源管理IC（PMIC），以便在效率，性能，占地面积和成本之间取得适当的平衡。但是，他们也必须迅速将设计推出门外;因此，在选择过程中花费太多时间，他们可以针对特定类别的设计目标和优先级使用针对特定应用的，更高度优化的解决方案。

广泛的PMIC供应商看到设计师努力缩短从数十个来源中选择数千个通用PMIC所需的时间，然后添加电路以针对其特定应用优化这些PMIC。为了提供帮助，他们确定了可以添加到PMIC的独特功能和属性，以针对特定类别的设计目标和优先级制定特定于应用程序，更高度优化的解决方案。

通过选择适合特定情况需求的PMIC，设计人员可以简化其任务，降低BOM和成本，同时实现更好的性能。作为进一步的好处，设计人员无需尝试使PMIC适应这种情况，从而节省时间并最大限度地减少挫败感。

本文将回顾PMIC的基本作用。然后，它将讨论五个完全不同的PMIC挑战，并描述可大大减少设计时间，精力和恶化的解决方案。

PMIC的作用

没有单一的，普遍接受的定义由于系统的功率需求变化如此广泛，PMIC或其角色。通常，PMIC负责以下一个或多个角色：

用作电压降压，升压或降压/升压转换器

确保提供稳压电流

管理主电池（非可充电电池）和二次电池（可充电电池）的放电以及二次电池的充电

管理当电池供电时，直流导轨输出，并在电池充电时这样做（如果适用）

确保正确完成多个导轨之间的上升/下降时序和顺序

防止电源子系统或电池状况和故障（内部短路，完全放电或不存在）造成系统范围的损坏，反之亦然

但这些只是起点用于PMIC功能。随着电子设备和系统已经扩展到无数应用 - 其中许多应用几年前几乎不存在 - PMIC供应商通过添加目标功能和特性来满足每个利基的独特需求，并强调某些性能参数以最佳匹配这些利基需要。

USB设计挑战

USB规范经历了几次主要升级，提升了速度，并使其成为一种应用非常广泛的直流电源，电流额定值为0.5安培（A）至5A。

PMIC设计挑战＃1 ：使用USB互连为电池充电并提供电路电源。

USB已成为许多设备的近乎通用的充电源。设计挑战是从作为电源的USB端口提供DC/DC电源轨调节，并且在许多情况下还管理该电源以对内部电池充电。这样做不仅需要电压转换和调节，还需要管理电池充电/放电曲线。后者可能非常复杂，具体取决于化学成分。

设计还必须符合USB标准的规范和协议，包括端口检测和设置，电池耗尽，可以承受插入/拔出USB连接器引起的尖峰，以及所有符合USB标准的信号源。

PMIC解决方案：一种IC，如ADI公司的ADP5065快速充电电池具有电源路径和USB兼容性的管理器可以满足这些需求（图1）。它采用4伏至5.5伏的输入电压工作，还可以承受高达20伏的电压，从而最大限度地减少与USB总线“尖峰”相关的问题。

图1：ADI公司的ADP5065解决了与基于USB的电池充电，电池或USB电源的无缝操作以及电池缺失或放电相关的多个问题。 （图像来源：ADI公司）

DC/DC开关器件工作在3兆赫兹（MHz），从专用充电器提供高达1.25 A的充电电流。充电器输出和电池之间的内部FET提供隔离，即使电池耗尽或不存在，它仍然可以为系统供电。

为此，IC实现了USB协议序列。电池存在检测和死电池检测，对满足USB操作标准至关重要（图2和图3）。这允许从USB电源立即进行系统操作，而无需使用可行的电池。

图2：ADP5065充电器主动吸收并且将电流提供给特定的IC节点，并检测电压与时间的关系。接收相用于检测充电电池。 （图像来源：ADI公司）

图3：源相用于通过在有限时间内注入电流来检测放电电池，并且检查响应。如果满足特定标准，则IC充电器假定存在电池，并开始新的充电周期。 （图像来源：ADI公司）

使用ADP5605的I 2 C端口，系统处理器可以编程所有关键的充电/放电参数，包括涓流充电电流，涓流充电电压阈值，弱电荷（恒定电流）电流水平，快速充电（恒定电流）电流水平，以及快速充电（恒定电压）电压水平等。

PMIC设计挑战＃2 ：几乎在任何情况下都能检测，管理和保护USB端口。

PMIC解决方案：具有USB属性的另一个PMIC是Diodes Incorporated的PI3USB9281C。该设备为任何USB设备提供外部检测。它可以检测任何广泛的可用充电器，包括移动高清链路（MHL）配件，OTG（On on Go）配件和车载充电器，符合CEA标准CEA-936-A（USB Carkit规范）允许使用迷你USB连接器用于UART和模拟音频信号。它还集成了具有过压和过流保护功能的电源开关（图4）。 VBUSIN输入引脚可以承受高达28伏的电压，这对于支持USB 3.0供电的端口非常重要。

图4：使用PI3USB9281C，设计人员可以轻松实现一个充电器，可以检测几乎任何USB源，然后对其进行操作。 （图像来源：Diodes Incorporated）

该流程图显示了连接设备时USB握手和接口的复杂性（图5）。通过将其添加到其他PMIC功能中，该IC通过USB连接器管理集成锂离子电池的充电。如果IC未实现此流程图的顺序，则设计人员必须将其编码到系统微控制器中。这是一个耗时且容易出错的过程，仍需要USB认证。

图5：检测连接的USB端口和源的类型并评估其有效性并不简单，如此流程图（状态图） PI3USB9281C，演示。 （图像来源：Diodes Incorporated）

降压，升压操作：另一个PMIC角色

虽然有许多应用只需要在降压模式或升压模式下进行电压转换和调节（电压分别是降压或升压，还有许多需要两种转换。在这些情况下，PMIC不仅必须提供降压和升压功能，还经常管理两种模式之间的无缝转换。例如，必须管理单个锂离子电池以提供2.0伏电压轨，因为电池从2.6伏完全充电，然后降至相当耗尽的1.6伏输出。

< p> PMIC设计挑战＃3 ：为几乎所有电池化学品提供充电/放电管理

PMIC解决方案：在单一设计中解决各种化学品问题，可以使用德州仪器（TI）bq25703A等IC。该I 2 C多化学电池降压 - 升压充电控制器还包括系统电源监控器和处理器热监控器。它接受3.5伏至24伏的输入工作电压，并支持几乎任何化学电池组（Li +，LiFePO4，NiCad，NiMH，铅酸）与一至四个电池的充电（图6）。目标应用包括无人机，蓝牙扬声器，IP摄像机，笔记本电脑和平板电脑等消费产品，以及工业和医疗设备。

图6：bq25703A为所有标准电池化学成分提供充电器管理;它可以在3.5伏和24伏之间的各种电源下工作，同时支持一到四个电池的电池组。 （图像来源：德州仪器）

其主要功能是从各种输入源为电池充电，包括USB适配器，高压USB PD源和传统适配器。即使电池完全放电或移除，它也可以使系统（负载）保持运行。该IC尺寸较小 - 一个32引脚4×4 WQFN - 意味着它可以安装在电池组内，以增强系统的完整性和可靠性。

即使没有电池或深度放电的电池（常见情况）也能提供即时启动，并且在充电适配器满载时让电池补充系统。图7显示了采用20伏电源的双电池，无电池配置的bq25703A上的关键信号的上电时序。它显示输出电压的大约10毫秒（ms）的清晰转换总线，没有过冲或振铃。

图7：bq25703A上关键信号的上电时序，采用双电池，无电池配置，带20伏电源。 （图像来源：德州仪器公司）

使用5伏电源时，输出电压大约需要35 ms才能达到最终电压（图8）。

图8：bq25703A上的关键信号的上电时序，采用双电池，无电池配置，带有5伏电源。 （图片来源：德州仪器公司）

PMIC设计挑战＃4 ：管理充电/放电/共享高压电池，双电池供电中的导轨差别很大，例如汽车12/48伏系统。

PMIC解决方案：另一个与电源相关的设计问题涉及在汽车中使用双电压总线，这一变化适用于标准内燃机车辆以及所有 - 电动和混合动力汽车（EV/HEV）。目前的12伏电池和总线不能提供足够的电流和功率，而不会由于电流阻抗（IR）下降和由于I 2 R耗散引起的功率损耗而导致严重的电压损失。虽然使用重型电缆和连接器可以减少这些损失，但这个选项增加了重量，空间和成本。

或者，汽车行业正在着手一种新的双总线标准，它支持48和12伏，同时总线。然而，管理这些双总线并优化其有效输送电能的能力，同时正确地为电池充电，是一项艰巨的设计任务。

要解决这些问题，一种选择是使用凌力尔特公司的LTC3871。 （现为ADI公司的一部分）。这是一款高性能双向开关稳压控制器，可根据需要以降压或升压模式工作，非常适合48/12伏汽车双电池系统（图9）。

图9：管理汽车48和12伏电池系统的充电，放电和共享需要双向降压/升压PMIC，例如LTC3871。图像来源：Linear Technology Corp.）

精确的电流编程回路可调节任一方向的最大电流。 LTC3871还允许两个电池同时为负载供电。其架构允许动态调节输入电压，输出电压或电流，对于较高电压电源，电压高达100伏，对于较低电压电源，高达30伏。这完全符合48和12伏双母线系统的要求。 LTC3871还可在大约50微秒（μs）内实现从降压到升压模式的几乎无缝，无凸点的转换（图10）。

图10：当LTC3871从降压转换到升压模式时，转换几乎是无缝的，仅需约50μs，几乎没有振铃。 （图片来源：Linear Technology）

由于该PMIC专门针对汽车应用，因此必须满足该行业对晶体管结温工作范围（-40°C至150°C）的严格规范，以及对电源轨的瞬态，负载转储和其他影响的免疫力。它通过使用48引脚，7 mm 2 ，LQFP塑料封装和暴露的下侧导热垫来实现温度要求，以增强对印刷电路板的散热。

微功率也带来PMIC挑战

PMIC设计挑战＃5 ：管理严重功耗受限的可穿戴设备的充电/放电，并将静态电流降至最低。

汽车电池的功率和电压频谱的另一端是用于超低功耗应用（如可穿戴设备）的PMIC。在这里，关键因素是高效率，精心管理各种工作模式，优化电池充电/放电，以及极低的静态电流和睡眠模式耗散。

ST，例如STMicroelectronics的STBC02JR基于USB的Li -ion电池充电器，LDO和负载开关解决了这一特殊领域（图11）。这款高度集成的电源管理IC还包括一个智能复位/看门狗模块和一个保护电路模块（PCM），以防止电池在故障条件下被损坏。

图11：STBC02JR专为可穿戴设备等极低功耗应用而设计，强调低待机和静态功耗。 （图片来源：STMicroelectronics）

STBC02在“运输模式”条件下从始终连接的电池消耗的电流小于10纳安（nA），以最大限度地延长电池的使用寿命;使用本机时静态电流为600μA，但未连接充电器。 IC控制电池充电/放电，其LDO从关机模式唤醒到电池模式（正常使用）约200微秒（图12）。

图12：在唤醒时，STBC02JR系统输出（红色）和LDO输出（蓝色）在大约200μs内几乎同时转换为完全输出，简短的20系统输出轨上的μs过冲约为200 mV，LDO输出上没有过冲。 （图片来源：STMicroelectronics）

随着功耗的增加，尺寸也很重要，因此该器件采用30-bump倒装芯片，尺寸仅为2.59×2.25 mm。此外，由于使用它的电气暴露环境，可能会有来自用户衣服和其他来源的静电，STBC02在其最关键的引脚上具有±4千伏的人体模型（HBM）ESD保护。/p>

一些选择提示

即使使用专用的专用IC，可用PMIC的范围和深度也可能令人生畏，但不一定如此。首先，丢弃基本规格与应用的顶层要求（电压输入，电压输出，电流）不匹配的那些。然后，通过查看它们提供的针对特定应用程序问题的特定于应用程序的功能，进一步缩小搜索范围，例如：

电池充电/放电，保护

USB连接

使用/不使用电池进行操作

物理尺寸

另请注意，尽管尺寸较小，但这些IC的多方面功能需要经过深思熟虑的分析数据表，关注图表，表格，应用信息，效率数据，模型等等。

寻找如何解决降额和散热问题，启动和转换模式时序，使用各种寄存器，瞬态和噪声问题，各种模式下的效率，印刷电路板布局指南以及无源元件的建议，视需要。

结论

设计人员面临很多选择对于PMIC，但通过选择特定应用的解决方案，他们可以缩短产品上市时间，降低成本，减少头痛和系统设计惊喜“。然而，狠抓经常，广泛的数据表，以实现这些问题的解决，应用针对性的PMIC的潜在好处。