PMIC的作用與面臨了哪些挑戰

電池供電系統的設計人員可以選擇多種電源管理IC（PMIC），以便在效率，性能，占地面積和成本之間取得適當的平衡。但是，他們也必須迅速將設計推出門外;因此，在選擇過程中花費太多時間，他們可以針對特定類別的設計目標和優先級使用針對特定應用的，更高度優化的解決方案。

廣泛的PMIC供應商看到設計師努力縮短從數十個來源中選擇數千個通用PMIC所需的時間，然后添加電路以針對其特定應用優化這些PMIC。為了提供幫助，他們確定了可以添加到PMIC的獨特功能和屬性，以針對特定類別的設計目標和優先級制定特定于應用程序，更高度優化的解決方案。

通過選擇適合特定情況需求的PMIC，設計人員可以簡化其任務，降低BOM和成本，同時實現更好的性能。作為進一步的好處，設計人員無需嘗試使PMIC適應這種情況，從而節省時間并最大限度地減少挫敗感。

本文將回顧PMIC的基本作用。然后，它將討論五個完全不同的PMIC挑戰，并描述可大大減少設計時間，精力和惡化的解決方案。

PMIC的作用

沒有單一的，普遍接受的定義由于系統的功率需求變化如此廣泛，PMIC或其角色。通常，PMIC負責以下一個或多個角色：

用作電壓降壓，升壓或降壓/升壓轉換器

確保提供穩壓電流

管理主電池（非可充電電池）和二次電池（可充電電池）的放電以及二次電池的充電

管理當電池供電時，直流導軌輸出，并在電池充電時這樣做（如果適用）

確保正確完成多個導軌之間的上升/下降時序和順序

防止電源子系統或電池狀況和故障（內部短路，完全放電或不存在）造成系統范圍的損壞，反之亦然

但這些只是起點用于PMIC功能。隨著電子設備和系統已經擴展到無數應用 - 其中許多應用幾年前幾乎不存在 - PMIC供應商通過添加目標功能和特性來滿足每個利基的獨特需求，并強調某些性能參數以最佳匹配這些利基需要。

USB設計挑戰

USB規范經歷了幾次主要升級，提升了速度，并使其成為一種應用非常廣泛的直流電源，電流額定值為0.5安培（A）至5A。

PMIC設計挑戰＃1 ：使用USB互連為電池充電并提供電路電源。

USB已成為許多設備的近乎通用的充電源。設計挑戰是從作為電源的USB端口提供DC/DC電源軌調節，并且在許多情況下還管理該電源以對內部電池充電。這樣做不僅需要電壓轉換和調節，還需要管理電池充電/放電曲線。后者可能非常復雜，具體取決于化學成分。

設計還必須符合USB標準的規范和協議，包括端口檢測和設置，電池耗盡，可以承受插入/拔出USB連接器引起的尖峰，以及所有符合USB標準的信號源。

PMIC解決方案：一種IC，如ADI公司的ADP5065快速充電電池具有電源路徑和USB兼容性的管理器可以滿足這些需求（圖1）。它采用4伏至5.5伏的輸入電壓工作，還可以承受高達20伏的電壓，從而最大限度地減少與USB總線“尖峰”相關的問題。

圖1：ADI公司的ADP5065解決了與基于USB的電池充電，電池或USB電源的無縫操作以及電池缺失或放電相關的多個問題。 （圖像來源：ADI公司）

DC/DC開關器件工作在3兆赫茲（MHz），從專用充電器提供高達1.25 A的充電電流。充電器輸出和電池之間的內部FET提供隔離，即使電池耗盡或不存在，它仍然可以為系統供電。

為此，IC實現了USB協議序列。電池存在檢測和死電池檢測，對滿足USB操作標準至關重要（圖2和圖3）。這允許從USB電源立即進行系統操作，而無需使用可行的電池。

圖2：ADP5065充電器主動吸收并且將電流提供給特定的IC節點，并檢測電壓與時間的關系。接收相用于檢測充電電池。 （圖像來源：ADI公司）

圖3：源相用于通過在有限時間內注入電流來檢測放電電池，并且檢查響應。如果滿足特定標準，則IC充電器假定存在電池，并開始新的充電周期。 （圖像來源：ADI公司）

使用ADP5605的I 2 C端口，系統處理器可以編程所有關鍵的充電/放電參數，包括涓流充電電流，涓流充電電壓閾值，弱電荷（恒定電流）電流水平，快速充電（恒定電流）電流水平，以及快速充電（恒定電壓）電壓水平等。

PMIC設計挑戰＃2 ：幾乎在任何情況下都能檢測，管理和保護USB端口。

PMIC解決方案：具有USB屬性的另一個PMIC是Diodes Incorporated的PI3USB9281C。該設備為任何USB設備提供外部檢測。它可以檢測任何廣泛的可用充電器，包括移動高清鏈路（MHL）配件，OTG（On on Go）配件和車載充電器，符合CEA標準CEA-936-A（USB Carkit規范）允許使用迷你USB連接器用于UART和模擬音頻信號。它還集成了具有過壓和過流保護功能的電源開關（圖4）。 VBUSIN輸入引腳可以承受高達28伏的電壓，這對于支持USB 3.0供電的端口非常重要。

圖4：使用PI3USB9281C，設計人員可以輕松實現一個充電器，可以檢測幾乎任何USB源，然后對其進行操作。 （圖像來源：Diodes Incorporated）

該流程圖顯示了連接設備時USB握手和接口的復雜性（圖5）。通過將其添加到其他PMIC功能中，該IC通過USB連接器管理集成鋰離子電池的充電。如果IC未實現此流程圖的順序，則設計人員必須將其編碼到系統微控制器中。這是一個耗時且容易出錯的過程，仍需要USB認證。

圖5：檢測連接的USB端口和源的類型并評估其有效性并不簡單，如此流程圖（狀態圖） PI3USB9281C，演示。 （圖像來源：Diodes Incorporated）

降壓，升壓操作：另一個PMIC角色

雖然有許多應用只需要在降壓模式或升壓模式下進行電壓轉換和調節（電壓分別是降壓或升壓，還有許多需要兩種轉換。在這些情況下，PMIC不僅必須提供降壓和升壓功能，還經常管理兩種模式之間的無縫轉換。例如，必須管理單個鋰離子電池以提供2.0伏電壓軌，因為電池從2.6伏完全充電，然后降至相當耗盡的1.6伏輸出。

< p> PMIC設計挑戰＃3 ：為幾乎所有電池化學品提供充電/放電管理

PMIC解決方案：在單一設計中解決各種化學品問題，可以使用德州儀器（TI）bq25703A等IC。該I 2 C多化學電池降壓 - 升壓充電控制器還包括系統電源監控器和處理器熱監控器。它接受3.5伏至24伏的輸入工作電壓，并支持幾乎任何化學電池組（Li +，LiFePO4，NiCad，NiMH，鉛酸）與一至四個電池的充電（圖6）。目標應用包括無人機，藍牙揚聲器，IP攝像機，筆記本電腦和平板電腦等消費產品，以及工業和醫療設備。

圖6：bq25703A為所有標準電池化學成分提供充電器管理;它可以在3.5伏和24伏之間的各種電源下工作，同時支持一到四個電池的電池組。 （圖像來源：德州儀器）

其主要功能是從各種輸入源為電池充電，包括USB適配器，高壓USB PD源和傳統適配器。即使電池完全放電或移除，它也可以使系統（負載）保持運行。該IC尺寸較小 - 一個32引腳4×4 WQFN - 意味著它可以安裝在電池組內，以增強系統的完整性和可靠性。

即使沒有電池或深度放電的電池（常見情況）也能提供即時啟動，并且在充電適配器滿載時讓電池補充系統。圖7顯示了采用20伏電源的雙電池，無電池配置的bq25703A上的關鍵信號的上電時序。它顯示輸出電壓的大約10毫秒（ms）的清晰轉換總線，沒有過沖或振鈴。

圖7：bq25703A上關鍵信號的上電時序，采用雙電池，無電池配置，帶20伏電源。 （圖像來源：德州儀器公司）

使用5伏電源時，輸出電壓大約需要35 ms才能達到最終電壓（圖8）。

圖8：bq25703A上的關鍵信號的上電時序，采用雙電池，無電池配置，帶有5伏電源。 （圖片來源：德州儀器公司）

PMIC設計挑戰＃4 ：管理充電/放電/共享高壓電池，雙電池供電中的導軌差別很大，例如汽車12/48伏系統。

PMIC解決方案：另一個與電源相關的設計問題涉及在汽車中使用雙電壓總線，這一變化適用于標準內燃機車輛以及所有 - 電動和混合動力汽車（EV/HEV）。目前的12伏電池和總線不能提供足夠的電流和功率，而不會由于電流阻抗（IR）下降和由于I 2 R耗散引起的功率損耗而導致嚴重的電壓損失。雖然使用重型電纜和連接器可以減少這些損失，但這個選項增加了重量，空間和成本。

或者，汽車行業正在著手一種新的雙總線標準，它支持48和12伏，同時總線。然而，管理這些雙總線并優化其有效輸送電能的能力，同時正確地為電池充電，是一項艱巨的設計任務。

要解決這些問題，一種選擇是使用凌力爾特公司的LTC3871。 （現為ADI公司的一部分）。這是一款高性能雙向開關穩壓控制器，可根據需要以降壓或升壓模式工作，非常適合48/12伏汽車雙電池系統（圖9）。

圖9：管理汽車48和12伏電池系統的充電，放電和共享需要雙向降壓/升壓PMIC，例如LTC3871。圖像來源：Linear Technology Corp.）

精確的電流編程回路可調節任一方向的最大電流。 LTC3871還允許兩個電池同時為負載供電。其架構允許動態調節輸入電壓，輸出電壓或電流，對于較高電壓電源，電壓高達100伏，對于較低電壓電源，高達30伏。這完全符合48和12伏雙母線系統的要求。 LTC3871還可在大約50微秒（μs）內實現從降壓到升壓模式的幾乎無縫，無凸點的轉換（圖10）。

圖10：當LTC3871從降壓轉換到升壓模式時，轉換幾乎是無縫的，僅需約50μs，幾乎沒有振鈴。 （圖片來源：Linear Technology）

由于該PMIC專門針對汽車應用，因此必須滿足該行業對晶體管結溫工作范圍（-40°C至150°C）的嚴格規范，以及對電源軌的瞬態，負載轉儲和其他影響的免疫力。它通過使用48引腳，7 mm 2 ，LQFP塑料封裝和暴露的下側導熱墊來實現溫度要求，以增強對印刷電路板的散熱。

微功率也帶來PMIC挑戰

PMIC設計挑戰＃5 ：管理嚴重功耗受限的可穿戴設備的充電/放電，并將靜態電流降至最低。

汽車電池的功率和電壓頻譜的另一端是用于超低功耗應用（如可穿戴設備）的PMIC。在這里，關鍵因素是高效率，精心管理各種工作模式，優化電池充電/放電，以及極低的靜態電流和睡眠模式耗散。

ST，例如STMicroelectronics的STBC02JR基于USB的Li -ion電池充電器，LDO和負載開關解決了這一特殊領域（圖11）。這款高度集成的電源管理IC還包括一個智能復位/看門狗模塊和一個保護電路模塊（PCM），以防止電池在故障條件下被損壞。

圖11：STBC02JR專為可穿戴設備等極低功耗應用而設計，強調低待機和靜態功耗。 （圖片來源：STMicroelectronics）

STBC02在“運輸模式”條件下從始終連接的電池消耗的電流小于10納安（nA），以最大限度地延長電池的使用壽命;使用本機時靜態電流為600μA，但未連接充電器。 IC控制電池充電/放電，其LDO從關機模式喚醒到電池模式（正常使用）約200微秒（圖12）。

圖12：在喚醒時，STBC02JR系統輸出（紅色）和LDO輸出（藍色）在大約200μs內幾乎同時轉換為完全輸出，簡短的20系統輸出軌上的μs過沖約為200 mV，LDO輸出上沒有過沖。 （圖片來源：STMicroelectronics）

隨著功耗的增加，尺寸也很重要，因此該器件采用30-bump倒裝芯片，尺寸僅為2.59×2.25 mm。此外，由于使用它的電氣暴露環境，可能會有來自用戶衣服和其他來源的靜電，STBC02在其最關鍵的引腳上具有±4千伏的人體模型（HBM）ESD保護。/p>

一些選擇提示

即使使用專用的專用IC，可用PMIC的范圍和深度也可能令人生畏，但不一定如此。首先，丟棄基本規格與應用的頂層要求（電壓輸入，電壓輸出，電流）不匹配的那些。然后，通過查看它們提供的針對特定應用程序問題的特定于應用程序的功能，進一步縮小搜索范圍，例如：

電池充電/放電，保護

USB連接

使用/不使用電池進行操作

物理尺寸

另請注意，盡管尺寸較小，但這些IC的多方面功能需要經過深思熟慮的分析數據表，關注圖表，表格，應用信息，效率數據，模型等等。

尋找如何解決降額和散熱問題，啟動和轉換模式時序，使用各種寄存器，瞬態和噪聲問題，各種模式下的效率，印刷電路板布局指南以及無源元件的建議，視需要。

結論

設計人員面臨很多選擇對于PMIC，但通過選擇特定應用的解決方案，他們可以縮短產品上市時間，降低成本，減少頭痛和系統設計驚喜“。然而，狠抓經常，廣泛的數據表，以實現這些問題的解決，應用針對性的PMIC的潛在好處。