摘要

隨著嵌入式系統(tǒng)日益復雜，傳統(tǒng)微控制器往往難以滿足當今的性能需求。于是，設計人員紛紛開始采用片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。這類方案雖能提供更高的集成度和處理能力，卻也帶來了新的挑戰(zhàn)，尤其是在電源管理方面。本文將探討為SoC供電的基本考量因素，重點講解如何解讀和運用數(shù)據(jù)手冊及技術參考手冊中的關鍵信息。通過剖析影響電源方案設計的五個關鍵條件，本文將提供一份切實可行的分步指南，助力工程師胸有成竹地將電源管理集成電路(PMIC)集成到基于SoC的系統(tǒng)中。

引言

隨著嵌入式系統(tǒng)日臻精進，以應對從邊緣人工智能(AI)、高級互聯(lián)、多媒體處理等更具挑戰(zhàn)性的應用，設計人員正越來越多地青睞片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。SoC是高度集成的器件，相較于傳統(tǒng)微控制器，在性能和功能上優(yōu)勢顯著，但也帶來了新的設計復雜性，尤其是在電源管理方面。

與通常只需單一電源電壓的簡單微控制器不同，SoC通常需要多個電源軌，每個電源軌都有特定的電壓水平、電流能力、時序要求和同步約束。倘若無法滿足這些要求，輕則導致工作不穩(wěn)、性能打折，重則可能對器件造成永久性損壞。

什么是SoC？

片上系統(tǒng)(SoC)是一種集成電路，能將計算機或電子系統(tǒng)的所有核心元件盡數(shù)整合于單一芯片之上。其中不僅包括中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、內(nèi)存控制器、輸入/輸出(I/O)接口，而且常常配有專用模塊，例如數(shù)字信號處理(DSP)模塊、人工智能(AI)加速器和無線通信單元（Wi-Fi、藍牙、LTE/5G等）。SoC的宗旨是在緊湊、節(jié)能的形態(tài)下實現(xiàn)高性能與豐富功能，因而成為了移動端及嵌入式應用的不二之選。

SoC的發(fā)展始于20世紀80年代末至90年代初，當時對更小、更高效電子設備的需求日益迫切，成為推動SoC發(fā)展的動力。早期的SoC應用于嵌入式系統(tǒng)和移動電話，而隨著半導體技術日新月異，SoC愈發(fā)強大且功能多樣。如今，SoC已然成為現(xiàn)代消費電子設備的中流砥柱，為智能手機、平板電腦、智能手表、醫(yī)療設備、智能電視、汽車系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設備等各類產(chǎn)品提供支撐。

在當今的技術格局中，SoC的地位舉足輕重，因其能在實現(xiàn)高集成度和高性能的同時，將功耗與空間占用盡可能降低。這一點在便攜式和可穿戴設備中尤為關鍵，這類設備對電池續(xù)航和緊湊設計的要求堪稱嚴苛。此外，SoC的高集成度還減少了電路板上的元件數(shù)量，進而簡化了設計、降低了制造成本并提高了可靠性。

SoC的主要特點包括集成度高、能效高、具備實時處理能力、支持高級連接功能。所具備的優(yōu)勢不勝枚舉，例如處理速度更快、功耗更低、系統(tǒng)尺寸更小且兼具成本效益。不僅如此，許多SoC針對特定應用場景量身打造，通過定制與優(yōu)化，進一步提升性能與效率，成效顯著。

什么是PMIC？

電源管理集成電路(PMIC)是一種高度專用的半導體器件，專為管理和調(diào)節(jié)現(xiàn)代電子系統(tǒng)的電源需求而設計。在智能手機、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設備及嵌入式系統(tǒng)等復雜設備中，PMIC不可或缺，因為這些設備內(nèi)部的多個元件需依靠不同的電壓與電流水平，才能實現(xiàn)高效穩(wěn)定工作。PMIC作為功率分配中樞，不僅能確保每個子系統(tǒng)在恰當?shù)臅r機獲得精準供電，還能優(yōu)化能源利用，從而延長電池續(xù)航并減少發(fā)熱。

通常而言，PMIC會將多項關鍵功能集成于單芯片之中，包括電壓調(diào)節(jié)（通過降壓、升壓或低壓差(LDO)穩(wěn)壓器實現(xiàn)）、電池充放電監(jiān)控、上電時序、熱管理及故障保護等。這種高度集成的特性，不僅節(jié)省了電路板空間，更簡化了設計流程，提升了系統(tǒng)整體的可靠性。

集成式電源管理的理念在20世紀80年代末至90年代初逐漸嶄露頭角，當時早期手機、筆記本電腦等便攜式電子設備開始普及。起初，電源管理由多個體積龐大、效率低下的分立元件負責。隨著半導體技術不斷進步，制造商開始將電源管理功能集成到單個芯片中，由此催生了第一代PMIC。歷經(jīng)發(fā)展，PMIC已能支持日益復雜的電源架構，包括動態(tài)電壓調(diào)節(jié)和智能電源門控等技術，如今這些已成為節(jié)能設計中的標配。

時至今日，PMIC已然是現(xiàn)代電子設備的基石，讓設備得以憑借更小的電池實現(xiàn)更長的續(xù)航，更高效地管理熱負荷，并滿足嚴苛的能效標準。在電池供電及空間受限的應用場景中，每毫瓦電量與每毫米空間都彌足珍貴，PMIC的作用更是至關重要。

圖1.傳統(tǒng)電源管理與PMIC解決方案的比較。

分立電源管理方案需采用多個獨立元件，如單獨的降壓轉換器、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、電池充電器及保護電路等，每個元件各司其職。這種方案雖能靈活選用貼合具體規(guī)格的元件，但往往導致PCB尺寸增大、設計復雜度居高不下，且熱管理與電磁干擾(EMI)控制難度增加。相比之下，PMIC將多種電源功能集成于單個芯片之中，大幅縮減了電路板空間，簡化了設計流程，還提升了系統(tǒng)整體效率。圖1展示了傳統(tǒng)分立電源管理與PMIC解決方案的差異，凸顯了集成化帶來的種種優(yōu)勢。在可穿戴設備等空間受限的應用中，PMIC的優(yōu)勢尤為突出，這類應用對緊湊性、低功耗及精簡的上電時序控制的要求非常嚴苛。此外，PMIC通常內(nèi)置電源監(jiān)控、故障保護及通信接口等高級功能，而這些在分立方案中往往需要額外電路才能實現(xiàn)?？傮w而言，分立方案或許適用于高度定制化或大功率系統(tǒng)，但對于現(xiàn)代緊湊型電子設計，PMIC無疑是更高效、更可靠的理想之選。

圖2.ADI公司PMIC與SoC的連接。

PMIC通常通過電源接口與通信接口的組合連接至SoC，以確保供電高效且協(xié)調(diào)。PMIC借助降壓轉換器、低壓差穩(wěn)壓器(LDO)等集成穩(wěn)壓器，為SoC提供所需的各類電壓軌，如內(nèi)核電壓、輸入/輸出(I/O)電壓及存儲器電壓，這些電源軌直接連接至SoC上對應的電源輸入引腳。除了供電之外，PMIC還經(jīng)常通過I2C或SPI等數(shù)字接口與SoC進行通信。這種通信機制使SoC能夠?qū)MIC的功能進行控制與監(jiān)控，包括使能或禁用電源軌、調(diào)節(jié)輸出電壓、讀取故障或狀態(tài)寄存器，或是在啟動和關機過程中管理電源時序。圖2展示了PMIC與SoC對接的典型連接示意圖，清晰呈現(xiàn)了電源通路與通信通路。這種緊密集成確保了SoC能夠穩(wěn)定高效工作，在移動設備、可穿戴設備等對功耗敏感的應用中表現(xiàn)尤為突出。

通過PMIC為SoC供電時需考量的關鍵參數(shù)

當需要集成PMIC來為SoC供電時，必須審慎評估多項關鍵參數(shù)，確保系統(tǒng)工作可靠且高效。這些參數(shù)通常源自SoC的數(shù)據(jù)手冊或技術參考手冊，其中詳細羅列了芯片的電氣及功能需求。透徹理解這些參數(shù)，是設計穩(wěn)健供電架構的不二法門。

電壓要求：明確核心、I/O及外設的電源域規(guī)格。

電流需求：估算各電源軌的峰值與平均電流消耗。

上電時序：確定上電與斷電的正確順序。

同步約束：管理各電源軌之間的延遲與斜坡時間

電源模式和轉換：支持動態(tài)電源狀態(tài)以提升能效。

本指南的最終目標，是為設計人員提供一套清晰實用的供電架構設計框架，確保SoC能夠穩(wěn)定高效地運行。無論是SoC設計領域的新手，還是希望優(yōu)化現(xiàn)有方案的資深從業(yè)者，這份指南都將助您胸有成竹地應對供電設計中的各類挑戰(zhàn)。

典型的電壓要求

每個SoC都包含多個電源域，例如內(nèi)核邏輯、I/O接口、模擬模塊和存儲器等，這些電源域往往需要各不相同的電壓等級。這些電壓通常在數(shù)據(jù)手冊的“推薦工作條件”或“電源要求”等章節(jié)中有明文規(guī)定。

內(nèi)核電壓(VDDCORE)：為CPU和內(nèi)部邏輯供電，通常是其中電壓最低的（例如0.8 V至1.2 V）。

I/O電壓(VDDIO)：為輸入/輸出接口供電，常見值包括1.8 V、2.5 V或3.3 V。

模擬電壓(VDDA)：為模數(shù)轉換器(ADC)或鎖相環(huán)(PLL)等模擬外設供電，要求低噪聲且供電穩(wěn)定。

PMIC選型小貼士：使用低壓差穩(wěn)壓器(LDO)或降壓轉換器高效生成這些電壓。

電流需求

每條電源軌都必須提供足夠的電流，以滿足平均電流和峰值電流的雙重需求。這些數(shù)值通?？稍凇半姎馓匦浴闭鹿?jié)中找到，也可通過SoC供應商提供的功耗建模工具進行估算。

峰值電流：在啟動階段或高性能模式下所需的電流。

平均電流：有助于確定電源的規(guī)格大小，并為熱設計提供依據(jù)。

PMIC選型小貼士：在估算電流時，務必預留一定的安全裕度（例如20%至30%），以應對瞬態(tài)負載和未來的擴展需求。

供電時序

許多SoC要求電源軌按特定順序開啟和關閉，以避免閂鎖、欠壓或器件損壞。這種時序通常在數(shù)據(jù)手冊的“上電/斷電序列”章節(jié)中有明確說明。

典型順序：核心電壓 > 模擬電壓 > I/O電壓

依賴關系：一些外設或存儲器接口可能需要同步上電。

PMIC選型小貼士：選用內(nèi)置時序控制功能的PMIC，或搭配分立時序控制器，可自動實現(xiàn)供電操作。

同步約束

除了時序控制外，電源軌之間的時間配合也至關重要，包括：

斜坡時間：電壓達到目標值的速度。

延遲時間：使能不同電源軌之間的最小等待時間。

保持時間：在下一階段開始之前，某一電源軌需保持穩(wěn)定的時長。

PMIC選型小貼士：參考數(shù)據(jù)手冊中的時序圖，使用可編程PMIC或微控制器GPIO來微調(diào)延遲時間。

電源模式和轉換

當今的SoC支持多種電源模式（如激活、空閑、休眠、深度休眠），以優(yōu)化能效。每種模式可能需要不同的電壓等級，或使能/禁用特定電源軌。

動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)：根據(jù)工作負載調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓。

電源門控：關閉閑置模塊以節(jié)省功耗。

PMIC選型小貼士：選擇可通過I2C/SPI或GPIO進行動態(tài)控制的PMIC，以實現(xiàn)電源狀態(tài)間的平滑轉換。

PMIC的應用場景及其重要性何在？

PMIC的身影遍布大多數(shù)智能手機、平板電腦和可穿戴設備，同時也常見于筆記本電腦、超極本、汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)設備、工業(yè)及醫(yī)療設備中。

在智能手機和平板電腦這類應用中，PMIC扮演著核心角色，肩負著確保整個設備功率分配高效、安全且智能的重任。這些移動設備是高度集成的系統(tǒng)，包含多個子系統(tǒng)，如中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、內(nèi)存、顯示屏、攝像頭、無線射頻模塊（Wi-Fi、藍牙、蜂窩網(wǎng)絡）、傳感器和存儲設備等，而每個子系統(tǒng)的電源要求各有不同。PMIC則負責實時管理這些紛繁多樣的電源要求。

深入解析PMIC在現(xiàn)代醫(yī)療設備中的作用

醫(yī)療設備中的PMIC肩負著多重核心使命：調(diào)節(jié)多路電壓軌、管理電池充放電與備用系統(tǒng)，確保電源切換或突發(fā)故障時能夠持續(xù)穩(wěn)定運行。以葡萄糖監(jiān)測儀、便攜式心電圖儀等便攜式或可穿戴醫(yī)療設備為例，PMIC不僅負責管理充電電池的電力輸出，通過精準優(yōu)化能耗來延長設備續(xù)航，更要保障即便在低電量狀態(tài)下，設備仍能穩(wěn)定安全地發(fā)揮功能。

而在超聲設備、患者監(jiān)護儀、核磁共振掃描儀等更為復雜的系統(tǒng)中，PMIC作為主控制板的核心組件，需為模擬前端(AFE)、數(shù)字處理器、存儲器及通信模塊提供精準電壓。這類系統(tǒng)對供電時序有嚴苛要求，不同子系統(tǒng)必須按既定順序上電或斷電，方能避免設備異?；驍?shù)據(jù)丟失。PMIC會依據(jù)可編程邏輯，或響應系統(tǒng)微控制器/處理器的控制信號，自動完成這一精密的時序調(diào)度。

此外，醫(yī)療應用中的PMIC通常配備多重冗余安全功能，如過壓保護(OVP)、欠壓保護(UVLO)、過流保護(OCP)及熱關斷等。這些功能對于保護敏感電子元件、保障患者安全而言至關重要。在植入式或可穿戴設備中，PMIC采用超低功耗設計，可能還集成了能量收集接口，以支持無線充電或利用體熱、運動等能量供電。

從集成角度看，PMIC通常安裝在醫(yī)療設備的主PCB上，具體的選型或定制設計需嚴格匹配設備的功率特性，并滿足醫(yī)療領域的法規(guī)標準（如IEC 60601）。PMIC緊湊的尺寸與高度集成的特性，既能節(jié)省電路板空間，又能提升系統(tǒng)可靠性，這兩點在醫(yī)療設備設計中均不可或缺。

PMIC的主要優(yōu)勢

高效性：PMIC可優(yōu)化功率轉換與分配過程，減少能量損耗和發(fā)熱。這一點在電池供電設備中尤為關鍵，因為延長電池續(xù)航是此類設備的首要追求。

集成性：通過將電壓調(diào)節(jié)、電池充電、供電時序等多種電源功能整合到單個芯片中，PMIC降低了對分立元件的依賴。此舉不僅節(jié)省了電路板空間、簡化了設計環(huán)節(jié)，還降低了系統(tǒng)整體成本。

可靠性：PMIC具有內(nèi)置OVP、OCP和熱關斷等保護功能。這些安全機制提升了器件的耐用性與安全性，在醫(yī)療設備、汽車系統(tǒng)等關鍵應用場景中至關重要。

定制性：許多PMIC具備可配置的特性，甚至可根據(jù)系統(tǒng)的特定供電需求進行定制化設計，使性能調(diào)節(jié)更精準、熱管理更高效，且能與主處理器或SoC實現(xiàn)無縫集成。

PMICS的其他特性

部分PMIC具備電池管理功能，可負責電池的充放電控制、健康狀態(tài)監(jiān)測及安全保護。在休眠模式和低功耗模式下，PMIC自身能耗極低，有助于降低系統(tǒng)處于閑置或待機時的功耗。

在飛速發(fā)展的可穿戴技術領域，低功耗、緊湊設計與功能集成是打造流暢用戶體驗的關鍵。ADI公司憑借多元化的高集成度PMIC產(chǎn)品系列，精準應對這些挑戰(zhàn)，每款產(chǎn)品均針對可穿戴設備的獨特需求量身打造。

無論是開發(fā)智能手表、健康監(jiān)測設備還是健身追蹤器，這些PMIC解決方案都能在集成度、效率與性能之間找到黃金平衡點。ADI的PMIC設計始終圍繞三大核心目標：盡可能縮減電路板空間、顯著延長電池續(xù)航、大幅簡化系統(tǒng)設計，而這些正是所有可穿戴產(chǎn)品成功的關鍵所在。參見表1。

表1. 適用于全新設計的ADI PMIC

結語

片上系統(tǒng)(SoC)的供電遠非簡單的電壓供給，而是一個精心協(xié)調(diào)的過程，直接關乎系統(tǒng)的穩(wěn)定性、性能與能效。隨著SoC在高端應用中逐漸取代結構簡單的微控制器，理解SoC的電源需求已成為每位嵌入式設計人員的必修課。

從SoC的數(shù)據(jù)手冊入手，聚焦電壓要求、電流需求、供電時序、同步約束和電源模式這五大關鍵條件，就能構建出一套既能滿足技術規(guī)格，又能支持長期可靠性與擴展性的供電架構。在設計方案中集成PMIC可化繁為簡，以緊湊的尺寸提供可編程時序控制、動態(tài)電壓調(diào)節(jié)、故障保護等功能。

無論針對可穿戴設備、工業(yè)自動化還是邊緣計算進行設計，掌握以上電源基礎知識，就能滿懷信心地應對各種復雜的基于SoC的系統(tǒng)。所以，務必要明智地規(guī)劃供電方案，讓您的設計大放異彩。