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便携式产品面临的PMIC设计挑战

导读: 在电子产品领域中,便携式产品是发展最迅速,也是最活跃的应用之一。便携式产品在处理能力上不断提高,越来越多的新功能不断出现。以手机为例,当今的智能手机主芯片处理能力几乎接近个人电脑,各种商务、娱乐、多媒体,以及GPS功能都可以通过手机实现。

  在电子产品领域中,便携式产品是发展最迅速,也是最活跃的应用之一。便携式产品在处理能力上不断提高,越来越多的新功能不断出现。以手机为例,当今的智能手机主芯片处理能力几乎接近个人电脑,各种商务、娱乐、多媒体,以及GPS功能都可以通过手机实现。此外,便携产品也越来越注重用户使用体验。便携式产品设计者,不断提高产品在视觉、听觉上的表现,并且不断地提高产品的易用性,令使用者感觉产品的功能不断增多,但使用却更加简单。便携式电子产品对模拟芯片功能的几个基本诉求却一直没有改变,比如支持越来越高质量的音视频用户体验、更小的方案尺寸、更长的电池工作时间等等。这些基本诉求对电源管理和音视频解决方案产品在性能、效率以及集成度方面不断提出新的挑战。

 

  电源管理芯片(PMIC)概念

 

  今天的电源管理芯片(PMIC)已经不只是简单的电源输出路数的叠加,而是根据应用系统的需求,对各种模拟功能的有选择的整合。通常在便携试电子产品中模拟功能包括:常规的电源转换电路如LDO、Buck、电池管理。特殊的电源管理如LED驱动、RF专用的电源控制。还包括音频数模转换以及传感器管理等。下图中各种组件都可以根据需要集成到电源管理芯片当中。

  要发展性能出色的电源管理芯片,必须先具备经过验证的构成组件,通常称之为IP或者Building Block。任何没有经过验证的IP第一次放在高集成度的PMIC中,都增加了潜在的设计风险。因此美国国家半导体一直坚持并行的发展分立模拟芯片和高集成度芯片,包括分立LDO、DC/DC、充电器、LED驱动器、RF以及各种音频产品,并且不断提高其性能。这些分立产品一直具有广泛的应用需求,在这些经过充分验证的分立芯片的基础上我们能够根据特定应用场合快速地开发出各种高集成度的PMIC。

  丰富的经过验证的IP,是发展PMIC的基础。而发展PMIC更需要目标应用的深入理解包括:系统构架,应用需求,应用特性等等。不同的便携式产品的系统构架,功能需求千变万化,无论是相对高集程度的,还是相对分立的解决方案。对客户来说合适的才是最好的。以手机应用为例,客户不同的系统构架和设计需求决定了对不同PMIC的需求。我们可以把PMIC分为支持基带子系统的基带PMIC和支持应用处理器子系统的AP PMIC两大类。 而不同的基带芯片和应用处理器对PMIC需求又不尽相同。

  PMIC的集成度和灵活性一定会存在矛盾。不可能有一款PMIC适合所有不同的设计。所以分离电源方案一定会长期存在。至于哪些构件适合采用PMIC或者分离器件,其实并没有固定的规律,而是由具体设计来决定。在目前大部的设计者希望PMIC集成那些和主芯片组相关的供电功能(DC/DC, LDO等),以及一些常规存在功能(充电器、比较器 RTC等)。而那些和产品个性设计相关的功能如灯光管理、闪光灯驱动等,显然由分立方案实现更加合适。而从成本的要求出发,一些深入定制的客户化PMIC,可以将系统芯片组以外的模拟功能尽可能地集成。

 

  

  图1: 电源管理芯片应用及构成

 

  电源管理芯片(PMIC)面临的设计挑战

 

  如何提高系统用电效率,降低功耗始终是PMIC的设计挑战。目前所有基于不同电源管理拓扑的芯片效率都几乎达到了极限。系统的用电效率已经不能单纯靠提高电源转换效率得到很大的改善。提高效率的设计重点,已经从电源转换环节过渡到了负载环节。如何最聪明的让负载尽量减少不必要的耗电,成为设计的关键。目前最常见的这类技术是动态电压管理技术(DVS)。 美国国家半导体拥有非常独特的自适应电压管理(AVS)技术。与基于简单的“查找表”的DVS技术不同,我们的AVS技术是将一部分检测电路植入主芯片中,这部分电路对主芯片的工作频率、环境温度,以及芯片制成等参数进行实时地动态地监测,并指示电源管理芯片输出最优化的电压。通过该技术可以节省高达60%的用电。另外,我们还有针对RF PA的节电方案 (RF Power),可以让系统根据RF PA的实际功率输出等级,动态地调整供电电压,以很大程度的节省RF PA的功耗。

  此外很多模拟产品越来越智能,我们在其中增加了很多自动调节和控制的功能,减少对主芯片的依赖。比如LED灯光管理芯片,内部集成了SRAM,可以根据预先编程对LED驱动进行控制,不需要占用CPU资源。再比如背光驱动芯片具有环境亮度传感器接口,驱动芯片可以根据环境亮度自行调整背光亮度,不需要令CPU处在实时轮讯状态,这些设计也从一定程度上降低了系统功耗。

 

  

  图2: PMIC基带子系统框图

 

  此外封装是决定PMIC方案尺寸的重要因素。美国国家半导体拥有领先的封装技术,其microSMD封装技术可以使芯片的尺寸和晶元尺寸相同。目前的管脚间距做到0.4mm。以一颗81个管脚的PMIC为例,芯片的尺寸只有3.6mm×3.6mm。

  如前面讨论的,PMIC的开发已经不是靠半导体厂商自行设计能够完成的。而是要依靠和客户深度合作。丰富的IP,对应用系统的深入理解,以及领先的封装技术是发展PMIC三个重要方面。客户在选择PMIC供应商合作伙伴的时候要充分考虑供应商在这三个方面的经验和实力。

  作者:钟建鹏 美国国家半导体亚太区电源管理产品市场部经理

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