本文回顾了影响电源方案设计的五个关键条件，为工程师提供了一份实用且循序渐进的指南，帮助他们自信地将电源管理集成电路 (PMIC) 集成到基于片上系统 (SoC) 的系统中。
引言：
随着嵌入式系统不断发展，以控制从边缘人工智能到高级连接和多媒体处理等要求更高的应用，设计人员越来越多地转向片上系统 (SoC) 解决方案。这些高度集成的器件相比传统微控制器具有显著的性能和功能优势，但也带来了新的设计复杂性，尤其是在电源管理方面。
与通常只需要单一电源电压的简单微控制器不同，SoC 通常需要多个电源轨，每个电源轨都有特定的电压等级、电流容量、时序要求和时序约束。未能满足这些要求会导致运行不可靠、性能下降，甚至对器件造成永久性损坏。

什么是系统级芯片 (SoC)？
SoC 是一种集成电路，它将计算机或电子系统的所有关键组件集成到单个芯片上。这些组件包括中央处理器 (CPU)、图形处理器 (GPU)、内存控制器、输入/输出 (I/O) 接口，以及一些专用模块，例如用于数字信号处理 (DSP)、人工智能加速器和无线通信单元（Wi-Fi、蓝牙®、LTE/5G）的模块。SoC 的目标是在紧凑且节能的外形尺寸内提供高性能和丰富的功能，使其成为移动和嵌入式应用的理想选择。SoC 的开发
始于 20 世纪 80 年代末和 90 年代初，其发展动力源于对更小、更高效电子设备的需求。早期的 SoC 应用于嵌入式系统和移动电话，但随着半导体技术的进步，SoC 的功能和用途变得更加强大。如今，SoC 已成为现代消费电子产品的支柱，为从智能手机和平板电脑到智能手表、医疗设备、智能电视、汽车系统和物联网 (IoT) 设备等各种产品提供动力。系统级芯片 (
SoC) 在当今科技领域至关重要，因为它们能够实现高集成度和高​​性能，同时最大限度地降低功耗和物理尺寸。这对于便携式和可穿戴设备尤为重要，因为电池续航时间和紧凑设计对这些设备至关重要。SoC 的集成度还能减少电路板上的组件数量，从而简化设计、降低制造成本并提高可靠性。SoC
的主要特性包括高集成度、高能效、实时处理能力以及对高级连接的支持。它们的优势众多，例如更快的处理速度、更低的功耗、更小的系统尺寸和更高的成本效益。此外，许多 SoC 都是针对特定应用而设计的，允许进行定制和优化，从而进一步提升性能和效率。

什么是
电源管理集成电路 (PMIC)？电源管理集成电路 (PMIC) 是一种高度专业化的半导体器件，旨在管理和调节现代电子系统的电源需求。这些电路对于智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备和嵌入式系统等复杂设备至关重要，因为这些设备中的多个组件需要不同的电压和电流才能高效可靠地运行。PMIC 作为电源分配的中央枢纽，确保每个子系统在正确的时间获得正确的功率，同时优化电源使用，从而延长电池寿命并减少发热量。PMIC
通常将几个关键功能集成到单个芯片上，包括电压调节（使用降压、升压或低压差 (LDO) 稳压器）、电池充电和监控、电源时序控制、热管理和故障保护。这种集成不仅节省了电路板空间，还简化了设计并提高了系统的整体可靠性。集成电源
管理的概念在 20 世纪 80 年代末和 90 年代初开始流行，当时便携式电子设备（例如早期的移动电话和笔记本电脑）的使用变得非常普遍。最初，电源管理由分立元件完成，这些元件体积庞大且效率低下。随着半导体技术的进步，制造商开始将这些功能集成到单个芯片上，由此诞生了第一代电源集成微控制器（PMIC）。随着时间的推移，PMIC不断发展，以支持日益复杂的电源架构，例如动态电压调节和智能电源管理，这些如今已成为节能设计中的标准配置。
如今，PMIC已成为现代电子产品的基石，使设备能够在更小的电池容量下运行更长时间，更有效地管理热负载，并满足严格的能效标准。它们在电池供电和空间受限的应用中尤为重要，在这些应用中，每一毫瓦和每一毫米都至关重要。

图 1. 传统电源管理与 PMIC 解决方案对比。.

分立式电源管理方案使用独立的组件，例如独立的降压转换器、低压差线性稳压器 (LDO)、电池充电器和保护电路，每个组件执行特定的功能。虽然这种方法可以根据具体规格灵活选择组件，但通常会导致更大的 PCB 占用空间、更高的设计复杂性以及更难控制的热干扰和电磁干扰 (EMI)。相比之下，电源管理集成电路 (PMIC) 将多种电源功能集成到单个芯片上，显著减少了电路板空间，简化了设计流程，并提高了整体系统效率。图 1 展示了传统分立式电源管理和基于 PMIC 的解决方案之间的对比，突出了集成优势。PMIC 在空间受限的应用中尤其具有优势，例如可穿戴设备，在这些应用中，紧凑性、低功耗和优化的电源时序至关重要。此外，PMIC 通常包含电源监控、故障保护和通信接口等高级功能，而这些功能在分立式配置中需要额外的电路。总而言之，虽然分立式解决方案可能适用于高度定制化或高功率系统，但对于现代紧凑型电子设计而言，PMIC 提供了一种更高效、更可靠的方法。.

图 2. Analog Devices PMIC 与 SoC 的连接。.

电源管理集成电路 (PMIC) 通常通过电源接口和通信接口与片上系统 (SoC) 连接，以确保高效协调的电源供应。PMIC 使用集成稳压器（例如降压转换器和低压差线性稳压器 (LDO)）为 SoC 提供所需的各种电压轨，例如内核电压、I/O 电压和内存电压。这些电源轨直接连接到 SoC 上相应的电源输入引脚。除了供电之外，PMIC 通常还通过数字接口（例如 I²C 或 SPI）与 SoC 通信。这种通信使 SoC 能够控制和监控 PMIC 的功能，包括启用或禁用电源轨、调整输出电压、读取故障或状态寄存器以及管理启动和关机期间的电源时序。图 2 显示了 PMIC 连接到 SoC 的典型连接图，图中展示了电源轨和通信轨。这种紧密集成确保 SoC 可靠高效地运行，尤其是在对功耗敏感的应用中，例如移动设备和可穿戴设备。.

使用 PMIC 为 SoC 供电时需要考虑的关键参数
在集成 PMIC 为 SoC 供电时，必须仔细评估几个关键参数，以确保可靠高效的电源运行。这些参数通常来源于 SoC 的数据手册或技术参考手册，其中描述了芯片的电气和功能要求。理解这些参数对于设计稳健的电源架构至关重要。
• 电压要求：了解内核、I/O 和外设的电源域。
• 电流需求：估算每个电源轨的最大和平均电流消耗。
• 电源时序：确定正确的上电和关电顺序。
• 时序约束：管理电源轨之间的延迟和斜坡时间。
• 电源模式和转换：支持动态电源状态以提高能源效率。
阅读完本指南后，设计人员将拥有一个清晰实用的框架，用于设计确保 SoC 可靠高效运行的电源架构。无论您是 SoC 设计新手还是希望改进现有方法，本教程都将帮助您充满信心地开启 SoC 设计之旅。

典型电压要求：
每个SoC都有多个电源域，例如核心逻辑、I/O接口、模拟模块和存储器，这些电源域通常需要不同的电压。这些电压通常在数据手册的“推荐工作条件”或“电源要求”等章节中指定。
• 核心电压 (VDDCORE)：为CPU和内部逻辑供电。这通常是最低电压（例如，0.8V至1.2V）。
• I/O电压 (VDDIO)：为输入/输出接口供电。常用值为1.8V、2.5V或3.3V。
• 模拟电压 (VDDA)：为模拟外设（例如ADC或PLL）供电。它需要稳定、低噪声的电源。PMIC
选择技巧：使用LDO或降压转换器来高效地生成这些电压。

电流需求：
每条电源轨必须提供足够的电流以满足平均电流和峰值电流需求。这些数值通常可在“电气特性”部分找到，或使用SoC供应商提供的电源建模工具进行估算。
• 峰值电流：启动或高性能模式下所需。
• 平均电流：有助于确定电源容量并进行散热设计。PMIC
峰值电流选择：始终在电流估算值中添加安全裕度（例如20%至30%），以应对瞬态负载和未来的扩展需求。

上电顺序：
许多SoC要求电源轨按特定顺序开启和关闭，以防止死机、电压骤降或损坏。此顺序通常在数据手册的“上电/关机顺序”部分中记录。
• 典型顺序：内核电压 > 模拟电压 > I/O电压
• 依赖关系：某些外设或内存接口可能需要同步上电。电源管理
(PMIC) 选择建议：使用集成时序控制器或独立电源时序控制器的PMIC来自动化此过程。

同步约束：
除了时序之外，通道间的时序也很重要。这包括：
• 斜坡时间：电压达到目标电平的速度。
• 延迟时间：不同通道激活之间的最小等待时间。
• 保持时间：通道在下一阶段开始之前必须保持稳定的时间。PMIC
引脚选择：请查看数据手册中的时序图，并使用可编程 PMIC 或微控制器 GPIO 来调整延迟。

电源模式和转换：
现代SoC支持多种电源模式（例如，活动、空闲、睡眠、深度睡眠），以优化电源效率。每种模式可能需要不同的电压电平，或者启用/禁用某些通道。
• 动态电压调节 (DVS)：根据工作负载调整内核电压。
• 电源控制：关闭未使用的模块以节省功耗。PMIC
选择建议：选择支持通过I2C/SPI或GPIO进行动态控制的PMIC，以实现电源状态之间的平滑转换。

电源管理集成电路 (PMIC) 的应用场景有哪些？它们为何如此重要？
PMIC 广泛应用于大多数智能手机、平板电脑和可穿戴设备。此外，笔记本电脑、超极本、汽车电子产品、物联网设备以及工业和医疗设备中也少不了 PMIC。
对于智能手机和平板电脑而言，PMIC 在确保设备高效、安全、智能地分配电源方面发挥着至关重要的作用。这些移动设备是高度集成的系统，包含多个子系统，例如 CPU、GPU、内存、显示屏、摄像头、无线电模块（Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络）、传感器和存储设备，而所有这些子系统都有不同的电源需求。PMIC 负责实时管理这些多样化的电源需求。

深入了解电源管理集成电路 (PMIC) 在现代医疗设备中的作用：
医疗设备中的 PMIC 负责调节多个电压轨，管理电池充电和备用系统，并确保在电源转换或故障期间不间断运行。例如，在便携式或可穿戴医疗设备（如血糖仪或便携式心电图仪）中，PMIC 管理可充电电池的电源，优化能耗以延长电池寿命，并确保设备即使在低功耗条件下也能安全运行。在
更复杂的系统中（例如超声波仪、病人监护仪或 MRI 扫描仪），PMIC 集成到主控板中，为模拟前端、数字处理器、存储器和通信模块提供精确的电压。这些系统通常需要电源时序控制，即不同的子系统必须按照特定的顺序开启或关闭，以防止故障或数据丢失。PMIC 根据来自系统微控制器或处理器的可编程逻辑或控制信号自动管理这种时序控制。
此外，用于医疗应用的电源管理集成电路（PMIC）通常包含冗余安全功能，例如过压保护（OVP）、欠压锁定（UVLO）、过流保护（OCP）和过热关断。这些功能对于防止敏感电子元件损坏和确保患者安全至关重要。在植入式或可穿戴设备中，PMIC 采用超低功耗设计，并可能包含能量采集接口，以支持无线充电或利用体温或运动产生的能量。
在集成方面，PMIC 通常安装在医疗设备的主印刷电路板上，并且通常会根据医疗环境所需的特定功率特性和监管标准（例如 IEC 60601）进行选择甚至定制设计。其紧凑的尺寸和高度集成有助于减少电路板占用空间并提高系统可靠性——这在医疗设计中至关重要。

(PMIC) 的主要优势
：• 效率：PMIC 可优化电源转换和分配，从而减少能量损耗和发热量。这对于电池供电设备尤为重要，因为延长电池寿命是首要任务。
• 集成：PMIC 将电压调节、电池充电和电源时序控制等多种电源功能集成到单个芯片上，减少了对分立元件的需求。这节省了电路板空间，简化了设计，并降低了系统总成本。• 可靠性：
PMIC 包含内置保护功能，例如过压保护 (OVP)、过流保护 (OCP) 和过热关断。这些安全措施提高了器件的耐用性和安全性，这对于医疗和汽车系统等关键任务应用尤为重要。
• 定制化：许多 PMIC 可配置，甚至可以根据系统的特定电源需求进行定制设计。这可以实现性能微调、改进散热管理，并与主处理器或片上系统 (SoC) 无缝集成。

其他 PMIC 特性：
部分 PMIC 具备电池管理功能，可处理充电、放电、电池健康监测和保护。睡眠模式和低功耗模式下的极低功耗有助于降低系统空闲或待机时的能耗。
在快速发展的可穿戴技术领域，能效、紧凑设计和功能集成对于提供流畅的用户体验至关重要。Analog Devices 提供一系列高度集成的 PMIC 来应对这些挑战，每款 PMIC 都旨在满足可穿戴设备的特定需求。
无论是开发智能手表、健康监测设备还是健身追踪器，这些 PMIC 解决方案都能在集成度、效率和性能之间实现完美平衡。这些 PMIC 旨在最大限度地减少电路板占用空间、延长电池寿命并简化系统设计——这些都是任何可穿戴产品成功的关键因素。参见表 1。

结论：
为片上系统 (SoC) 供电远不止提供电压那么简单；它是一个精心设计的流程，直接影响系统的稳定性、性能和效率。随着 SoC 在高级应用中不断取代简单的微控制器，了解其电源需求对于所有嵌入式系统设计人员来说都至关重要。
从 SoC 数据手册入手，重点关注五个关键条件——电压要求、电流需求、电源时序、时序约束和电源模式——您可以构建一个不仅满足技术规范，而且支持长期可靠性和可扩展性的电源架构。将片上电源微控制器 (PMIC) 集成到您的设计中可以简化这一过程，在紧凑的封装中提供可编程时序、动态电压调节和故障保护等功能。
无论您是为可穿戴设备、工业自动化还是边缘计算进行设计，掌握这些电源基础知识都将使您有信心应对即使是最复杂的基于 SoC 的系统。因此，请巧妙地改进您的设计，让它大放异彩。

作者简介：
Hermogenes Escala 是 Analog Devices 的应用工程师，负责支持 EMEA 中央应用中心 (CAC)。他专注于开关电源 (SMPS) 和电源管理，拥有丰富的实践经验和技术专长。他拥有菲律宾东维萨亚斯州立大学 (EVSU) 电子与通信工程理学学士学位和马普亚大学电力电子学研究生文凭。
加入 ADI 之前，Hermo 曾在多个行业担任过各种设计和支持职位，包括汽车仪表盘、音频系统、各种应用的电源设计以及医疗设备。这些经验使他对实际工程挑战拥有广阔而务实的视角。他热衷于创新和持续学习，并乐于弥合复杂技术与实际应用之间的鸿沟。