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作者：Hermogenes Escala，ADI公司應用工程師 摘要 隨著嵌入式系統日益復雜，傳統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(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，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據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的系統中。 引言 隨著嵌入式系統日臻精進，以應對從邊緣人工智能(AI)、高級互聯、多媒體處理等更具挑戰性的應用，設計人員正越來越多地青睞片上系統(SoC)解決方案。SoC是高度集成的器件，相較于傳統微控制器，在性能和功能上優勢顯著，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、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(SoC)是一種集成電路，能將計算機或電子系統的所有核心元件盡數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、節能的形態下實現高性能與豐富功能，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發展的動力。早期的SoC應用于嵌入式系統和移動電話，而隨著半導體技術日新月異，SoC愈發強大且功能多樣。如今，SoC已然成為現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、醫療設備、智能電視、汽車系統及物聯網(IoT)設備等各類產品提供支撐。 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。所具備的優勢不勝枚舉，例如處理速度更快、功耗更低、系統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，專為管理和調節現代電子系統的電源需求而設計。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等復雜設備中，PMIC不可或缺，因為這些設備內部的多個元件需依靠不同的電壓與電流水平，才能實現高效穩定工作。PMIC作為功率分配中樞，不僅能確保每個子系統在恰當的時機獲得精準供電，還能優化能源利用，從而延長電池續航并減少發熱。 通常而言，PMIC會將多項關鍵功能集成于單芯片之中，包括電壓調節（通過降壓、升壓或低壓差(LDO)穩壓器實現）、電池充放電監控、上電時序、熱管理及故障保護等。這種高度集成的特性，不僅節省了電路板空間，更簡化了設計流程，提升了系統整體的可靠性。 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。歷經發展，PMIC已能支持日益復雜的電源架構，包括動態電壓調節和智能電源門控等技術，如今這些已成為節能設計中的標配。 時至今日，PMIC已然是現代電子設備的基石，讓設備得以憑借更小的電池實現更長的續航，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，還提升了系統整體效率。圖1展示了傳統分立電源管理與PMIC解決方案的差異，凸顯了集成化帶來的種種優勢。在可穿戴設備等空間受限的應用中，PMIC的優勢尤為突出，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通常內置電源監控、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。總體而言，分立方案或許適用于高度定制化或大功率系統，但對于現代緊湊型電子設計，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調。PMIC借助降壓轉換器、低壓差穩壓器(LDO)等集成穩壓器，為SoC提供所需的各類電壓軌，如內核電壓、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還經常通過I2C或SPI等數字接口與SoC進行通信。這種通信機制使SoC能夠對PMIC的功能進行控制與監控，包括使能或禁用電源軌、調節輸出電壓、讀取故障或狀態寄存器，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，清晰呈現了電源通路與通信通路。這種緊密集成確保了SoC能夠穩定高效工作，在移動設備、可穿戴設備等對功耗敏感的應用中表現尤為突出。 通過PMIC為SoC供電時需考量的關鍵參數 當需要集成PMIC來為SoC供電時，必須審慎評估多項關鍵參數，確保系統工作可靠且高效。這些參數通常源自SoC的數據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，是設計穩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：支持動態電源狀態以提升能效。 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能夠穩定高效地運行。無論是SoC設計領域的新手，還是希望優化現有方案的資深從業者，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。 典型的電壓要求 每個SoC都包含多個電源域，例如內核邏輯、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。這些電壓通常在數據手冊的“推薦工作條件”或“電源要求”等章節中有明文規定。 • 內核電壓(VDDCORE)：為CPU和內部邏輯供電，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)：為模數轉換器(ADC)或鎖相環(PLL)等模擬外設供電，要求低噪聲且供電穩定。 PMIC選型小貼士：使用低壓差穩壓器(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。這些數值通常可在“電氣特性”章節中找到，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格大小，并為熱設計提供依據。 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。這種時序通常在數據手冊的“上電/斷電序列”章節中有明確說明。 • 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：選用內置時序控制功能的PMIC，或搭配分立時序控制器，可自動實現供電操作。 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定的時長。 PMIC選型小貼士：參考數據手冊中的時序圖，使用可編程PMIC或微控制器GPIO來微調延遲時間。 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。 • 動態電壓調節(DVS)：根據工作負載調節內核電壓。 • 電源門控：關閉閑置模塊以節省功耗。 PMIC選型小貼士：選擇可通過I2C/SPI或GPIO進行動態控制的PMIC，以實現電源狀態間的平滑轉換。 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、物聯網設備、工業及醫療設備中。 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，包含多個子系統，如中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、內存、顯示屏、攝像頭、無線射頻模塊（Wi-Fi、藍牙、蜂窩網絡）、傳感器和存儲設備等，而每個子系統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在現代醫療設備中的作用 醫療設備中的PMIC肩負著多重核心使命：調節多路電壓軌、管理電池充放電與備用系統，確保電源切換或突發故障時能夠持續穩定運行。以葡萄糖監測儀、便攜式心電圖儀等便攜式或可穿戴醫療設備為例，PMIC不僅負責管理充電電池的電力輸出，通過精準優化能耗來延長設備續航，更要保障即便在低電量狀態下，設備仍能穩定安全地發揮功能。 而在超聲設備、患者監護儀、核磁共振掃描儀等更為復雜的系統中，PMIC作為主控制板的核心組件，需為模擬前端(AFE)、數字處理器、存儲器及通信模塊提供精準電壓。這類系統對供電時序有嚴苛要求，不同子系統必須按既定順序上電或斷電，方能避免設備異常或數據丟失。PMIC會依據可編程邏輯，或響應系統微控制器/處理器的控制信號，自動完成這一精密的時序調度。 此外，醫療應用中的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，并滿足醫療領域的法規標準（如IEC 60601）。PMIC緊湊的尺寸與高度集成的特性，既能節省電路板空間，又能提升系統可靠性，這兩點在醫療設備設計中均不可或缺。 PMIC的主要優勢 • 高效性：PMIC可優化功率轉換與分配過程，減少能量損耗和發熱。這一點在電池供電設備中尤為關鍵，因為延長電池續航是此類設備的首要追求。 • 集成性：通過將電壓調節、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。此舉不僅節省了電路板空間、簡化了設計環節，還降低了系統整體成本。 • 可靠性：PMIC具有內置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，在醫療設備、汽車系統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，甚至可根據系統的特定供電需求進行定制化設計，使性能調節更精準、熱管理更高效，且能與主處理器或SoC實現無縫集成。 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、健康狀態監測及安全保護。在休眠模式和低功耗模式下，PMIC自身能耗極低，有助于降低系統處于閑置或待機時的功耗。 在飛速發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產品系列，精準應對這些挑戰，每款產品均針對可穿戴設備的獨特需求量身打造。 無論是開發智能手表、健康監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、顯著延長電池續航、大幅簡化系統設計，而這些正是所有可穿戴產品成功的關鍵所在。參見表1。 表1. 適用于全新設計的ADI PMIC
結語 片上系統(SoC)的供電遠非簡單的電壓供給，而是一個精心協調的過程，直接關乎系統的穩定性、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的數據手冊入手，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、動態電壓調節、故障保護等功能。 無論針對可穿戴設備、工業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。所以，務必要明智地規劃供電方案，讓您的設計大放異彩。 作者簡介 Hermogenes Escala是ADI公司歐洲、中東及非洲地區(EMEA)中央應用中心(CAC)的應用工程師。他深耕開關模式電源(SMPS)與電源管理領域，具有豐富的實操經驗和深厚的技術見解。他擁有菲律賓東米沙鄢州立大學(EVSU)電子與通信工程學士學位和菲律賓馬普阿大學電力電子研究生文憑。 加入ADI前，Hermo曾在多個行業擔任設計與技術支持職務，涉足汽車儀表盤、音響系統、多領域電源設計及醫療設備等領域，這些經歷讓他對實際工程中的挑戰形成了全面而務實的認知。他熱衷于創新與持續學習，擅長將復雜技術與實際應用有機結合，搭建起二者之間的橋梁。 |
