电源管理IC为移动平台提供设计灵活性

移动电话和平板电脑等便携式设备需要电源管理技术来满足日益具有挑战性的性能要求。消费者正在以新的方式使用智能手机：他们希望显示高清 GPS 视频和地图;进行双向视频通话;玩更吸引人的游戏;和流音乐。此类应用的片上系统 (SoC) 项目还必须符合严格的散热目标，同时满足长电池寿命要求。

第三代“智能”手机将传统手机与个人数据助理(PDA)、数码相机(DSC)和音乐播放器(MP3)等功能相结合。可充电锂离子 (Li-ion) 电池是移动电子产品的电源。它的高能量密度保证了比其他类型的电池在尺寸和重量上更大的功率。此外，它的工作电压使其能够为 DC/DC 解决方案获得长寿命和高转换效率。

估算移动设备的能耗是设计的基本要素。目的是设计设备以最小化其能量消耗。振荡器、CPU、I/O 端口和模拟外设等单个组件必须被视为计算的一部分。有效的能源管理提出了越来越复杂的设计挑战。电池寿命低会导致客户不满意。

电池

为了满足这些设计目标，电源管理子系统的设计从电池开始。充电周期、老化和温度等因素会随着时间的推移降低锂离子电池的性能。正确管理和控制可充电电池对于优化电池寿命至关重要。

电池管理由三个部分组成：充电监控、保护和控制。电池监控和保护 IC 通常由电池本身提供。然而，充电控制是便携式设备的一部分。随着时间的推移，充电控制器件有了显着的发展，为高密度、高速数字电路实现了更短的最小栅极长度，但也为更多的模拟和电源应用实现了更高电压的器件。

线性控制拓扑在低功率电池组充电到 1 A 以下的应用中效果很好。但是，开关模式拓扑更适合需要 1 A 或更高充电速度的大型电池组。开关模式拓扑更高效，并且在充电过程中产生的热量最小，但如果封装不正确，会产生电磁干扰 (EMI)。

图 1：Texas Instruments 用于电池充电管理的 bq24259。(图片：德州仪器)

Texas Instruments 的 bq24259 是一款开关模式电池充电管理和系统电源路径管理器件，适用于单节锂离子和锂聚合物电池(图 1)。IC 分三个阶段自动为电池充电：预调节、恒流和恒压。

移动和便携式锂离子设备的设计人员可以通过使用 MAX17262 单节电池和 MAX17263 单节/多节电池集成电路的充电电平指示器来延长电池寿命并提供有关电池充电状态 (SOC) 的信息，从而提高性能来自美信集成。MAX17262 和 MAX17263 器件将传统的库仑计数与新的 ModelGauge m5 EZ 算法相结合，用于电池的高精度 SOC，无需对电池本身进行表征(图 2)。

图 2：简单的电量计电路图。(图片：美信集成)

多核芯片的电源管理

SoC 项目的计算量不断增加，以通过执行机器视觉和其他深度学习算法的硬件加速添加更多功能。然而，与此同时，这些功能强大的多核芯片需要能够进一步提高能效并创建更灵活的电源序列的解决方案。

对降低能耗的需求和不断增加的移动设备的出现将微电子技术导向越来越多的超低功耗解决方案，这些解决方案利用了动力、太阳能、热能和射频 (RF) 等环境能源。充分利用这些资源并不容易。检测、控制和调节是设计中的关键因素，可以确定能量收集系统的整体效率。

电源管理系统的挑战是以最大效率提供恒定电压输出。随着微电子技术的最新进展，低功耗系统可以管理能量收集，以满足当今集成电路在不同工作情况下的微瓦和纳瓦低功耗。

优化能源性能的重要性变得更加关键，技术上也更加困难。电源管理集成电路 (PMIC) 具有高度可编程性，使其能够支持单核或多核应用处理器以及所有智能手机子系统(例如网络和堆栈连接(3G、4G LTE、 Wi-Fi、蓝牙和 NFC)、显示器、百万像素相机等。

除了具有正确电压和电流组合的基带处理器之外，PMIC 还必须管理多达 30 个总线轨。SoC 设计人员可以通过使用专用 PMIC 提供的单个低压和低电流电源棒来降低电源管理成本。

当今的数字调制技术在每个 RF 通道中压缩更多位的数据，从而导致具有更高“波峰因数”的更复杂的电路布局，以峰均功率比 (PAPR) 表示。PMIC 为 OEM 工程师在智能手机平台的开发中提供了更大的设计灵活性，使他们能够针对不同的市场和产品的“生命周期”推出更多的模型和项目。

PMIC 示例

NXP、瑞萨电子和德州仪器 (TI) 提供的解决方案为各种电源管理应用提供可扩展、安全且灵活的解决方案。这些 PMIC 可以支持多种设备，以延长电池寿命并降低功耗。所有解决方案都提供可编程性、效率和高集成度。

例如，TI 的 TPS65216 PMIC 专门设计用于为 AMIC110 和 AMIC120 处理器提供电源管理。(图 3)。

图 3：TI TPS65216 的典型应用电路。(图片：德州仪器)

恩智浦为各种 i.MX 应用处理器系列提供一系列 IC，以优化能效和软件/硬件集成。它们将开关和线性稳压器与电池管理功能集成在一起。

ROHM Semiconductor 还通过其 BD71837MWV 继续支持 NXP 处理器。该器件集成了 i.MX 8M 处理器和系统外围设备所需的所有电源轨。I.MX 8M Mini 处理器允许客户以最低成本将语音接口集成到音频和视频流设备上。与BD71837MWV一起，ROHM还推出了集成DDR电源和IO系统的BD71847AMWV。

Renesas 的 ISL95852A 为三个高效同步降压稳压器集成了功率 MOSFET、故障保护和监控功能。ISL95852A 采用 WLCSP 封装。PMIC 控制器将来自电池或适配器的系统电压转换为英特尔 IMVP8 规范要求的三个必要的处理器电压。

Dialog Semiconductor 的 DA9070 PMIC 集成了电流高达 500 mA 的线性充电器，并提供多种省电模式以延长电池寿命。与其他分立解决方案相比，集成 PMIC 可将电源管理占用空间减少 25%。

结束语

手机继续扩展，成为我们日常所需的个人信息设备。能源性能将越来越成为设计挑战。物联网 (IoT) 表明了对无线世界的需求，给便携式设备的电池寿命带来了进一步的压力，需要不断关注能源管理创新。

审核编辑：汤梓红