在電子產(chǎn)品領(lǐng)域中，便攜式產(chǎn)品是發(fā)展最迅速，也是最活躍的應用之一。便攜式產(chǎn)品在處理能力上不斷提高，越來越多的新功能不斷出現(xiàn)。以手機為例，當今的智能手機主芯片處理能力幾乎接近個人電腦，各種商務(wù)、娛樂、多媒體，以及GPS功能都可以通過手機實現(xiàn)。此外，便攜產(chǎn)品也越來越注重用戶使用體驗。便攜式產(chǎn)品設(shè)計者，不斷提高產(chǎn)品在視覺、聽覺上的表現(xiàn)，并且不斷地提高產(chǎn)品的易用性，令使用者感覺產(chǎn)品的功能不斷增多，但使用卻更加簡單。便攜式電子產(chǎn)品對模擬芯片功能的幾個基本訴求卻一直沒有改變，比如支持越來越高質(zhì)量的音視頻用戶體驗、更小的方案尺寸、更長的電池工作時間等等。這些基本訴求對電源管理和音視頻解決方案產(chǎn)品在性能、效率以及集成度方面不斷提出新的挑戰(zhàn)。
電源管理芯片(PMIC)概念
今天的電源管理芯片(PMIC)已經(jīng)不只是簡單的電源輸出路數(shù)的疊加，而是根據(jù)應用系統(tǒng)的需求，對各種模擬功能的有選擇的整合。通常在便攜試電子產(chǎn)品中模擬功能包括：常規(guī)的電源轉(zhuǎn)換電路如LDO、Buck、電池管理。特殊的電源管理如LED驅(qū)動、RF專用的電源控制。還包括音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換以及傳感器管理等。下圖中各種組件都可以根據(jù)需要集成到電源管理芯片當中。
要發(fā)展性能出色的電源管理芯片，必須先具備經(jīng)過驗證的構(gòu)成組件,通常稱之為IP或者Building Block。任何沒有經(jīng)過驗證的IP第一次放在高集成度的PMIC中，都增加了潛在的設(shè)計風險。因此美國國家半導體一直堅持并行的發(fā)展分立模擬芯片和高集成度芯片，包括分立LDO、DC/DC、充電器、LED驅(qū)動器、RF以及各種音頻產(chǎn)品，并且不斷提高其性能。這些分立產(chǎn)品一直具有廣泛的應用需求，在這些經(jīng)過充分驗證的分立芯片的基礎(chǔ)上我們能夠根據(jù)特定應用場合快速地開發(fā)出各種高集成度的PMIC。
豐富的經(jīng)過驗證的IP，是發(fā)展PMIC的基礎(chǔ)。而發(fā)展PMIC更需要目標應用的深入理解包括：系統(tǒng)構(gòu)架，應用需求，應用特性等等。不同的便攜式產(chǎn)品的系統(tǒng)構(gòu)架，功能需求千變?nèi)f化，無論是相對高集程度的，還是相對分立的解決方案。對客戶來說合適的才是最好的。以手機應用為例，客戶不同的系統(tǒng)構(gòu)架和設(shè)計需求決定了對不同PMIC的需求。我們可以把PMIC分為支持基帶子系統(tǒng)的基帶PMIC和支持應用處理器子系統(tǒng)的AP PMIC兩大類. 而不同的基帶芯片和應用處理器對PMIC需求又不盡相同。
PMIC的集成度和靈活性一定會存在矛盾。不可能有一款PMIC適合所有不同的設(shè)計。所以分離電源方案一定會長期存在。至于哪些構(gòu)件適合采用PMIC或者分離器件，其實并沒有固定的規(guī)律，而是由具體設(shè)計來決定。在目前大部的設(shè)計者希望PMIC集成那些和主芯片組相關(guān)的供電功能(DC/DC, LDO等)，以及一些常規(guī)存在功能(充電器、比較器 RTC等)。而那些和產(chǎn)品個性設(shè)計相關(guān)的功能如燈光管理、閃光燈驅(qū)動等，顯然由分立方案實現(xiàn)更加合適。而從成本的要求出發(fā)，一些深入定制的客戶化PMIC，可以將系統(tǒng)芯片組以外的模擬功能盡可能地集成。
圖1: 電源管理芯片應用及構(gòu)成
電源管理芯片(PMIC)面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)
如何提高系統(tǒng)用電效率，降低功耗始終是PMIC的設(shè)計挑戰(zhàn)。目前所有基于不同電源管理拓撲的芯片效率都幾乎達到了極限。系統(tǒng)的用電效率已經(jīng)不能單純靠提高電源轉(zhuǎn)換效率得到很大的改善。提高效率的設(shè)計重點，已經(jīng)從電源轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)過渡到了負載環(huán)節(jié)。如何最聰明的讓負載盡量減少不必要的耗電，成為設(shè)計的關(guān)鍵。目前最常見的這類技術(shù)是動態(tài)電壓管理技術(shù)(DVS)。 美國國家半導體擁有非常獨特的自適應電壓管理(AVS)技術(shù)。與基于簡單的“查找表”的DVS技術(shù)不同，我們的AVS技術(shù)是將一部分檢測電路植入主芯片中，這部分電路對主芯片的工作頻率、環(huán)境溫度，以及芯片制成等參數(shù)進行實時地動態(tài)地監(jiān)測，并指示電源管理芯片輸出最優(yōu)化的電壓。通過該技術(shù)可以節(jié)省高達60%的用電。另外，我們還有針對RF PA的節(jié)電方案 (RF Power)，可以讓系統(tǒng)根據(jù)RF PA的實際功率輸出等級，動態(tài)地調(diào)整供電電壓，以很大程度的節(jié)省RF PA的功耗。
此外很多模擬產(chǎn)品越來越智能，我們在其中增加了很多自動調(diào)節(jié)和控制的功能，減少對主芯片的依賴。比如LED燈光管理芯片，內(nèi)部集成了SRAM，可以根據(jù)預先編程對LED驅(qū)動進行控制，不需要占用CPU資源。再比如背光驅(qū)動芯片具有環(huán)境亮度傳感器接口，驅(qū)動芯片可以根據(jù)環(huán)境亮度自行調(diào)整背光亮度，不需要令CPU處在實時輪訊狀態(tài)，這些設(shè)計也從一定程度上降低了系統(tǒng)功耗。
圖2: PMIC基帶子系統(tǒng)框圖
此外封裝是決定PMIC方案尺寸的重要因素。美國國家半導體擁有領(lǐng)先的封裝技術(shù)，其microSMD封裝技術(shù)可以使芯片的尺寸和晶元尺寸相同。目前的管腳間距做到0.4mm。以一顆81個管腳的PMIC為例，芯片的尺寸只有3.6mm×3.6mm。
如前面討論的，PMIC的開發(fā)已經(jīng)不是靠半導體廠商自行設(shè)計能夠完成的。而是要依靠和客戶深度合作。豐富的IP，對應用系統(tǒng)的深入理解，以及領(lǐng)先的封裝技術(shù)是發(fā)展PMIC三個重要方面�？蛻粼谶x擇PMIC供應商合作伙伴的時候要充分考慮供應商在這三個方面的經(jīng)驗和實力。
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