从汽车到可穿戴设备设计都要求PMIC提高功率效率

电源管理IC（PMIC）在单个芯片内提供完整的电源管理功能。PMIC通常用于小型电池供电的设备，集成多种功能可在尺寸和功耗方面提高效率。通常集成到PMIC中的功能包括电压转换器和稳压器、电池充电器、电池电量指示器和LED驱动。

低功耗PMIC必须提供紧凑的外形尺寸和高效率，以在可穿戴设备中提供较长的电池续航能力。在系统级芯片（SoC）、FPGA和微控制器等计算密集型系统中，目标是将每瓦性能做到最大化，同时优化系统效率。

汽车应用中的直流（DC）电源管理是高级驾驶辅助系统（ADAS）设计人员不能忽略的一个议题。PMIC解决方案提供DC电源保护、低静态电流和减少EMI，为车载能源管理提供了较好的环境。

各种设备中采用PMIC解决方案，有助于其高效地使用电源，从而延长了它们的使用寿命。随着设计工程师将更多先进的技术和功能引入产品设计中，对PMIC的需求预计将在未来持续增长。

挑战

随着微电子元件尺寸不断缩小和功耗要求越来越高，电源管理的复杂性和重要性都日益提高。可穿戴电子设备就是一个很好的例子。能量采集技术和最新一代超级电容器的应用可能是解决此挑战的有效方法。

轻巧紧凑的可穿戴IoT设备需要极小的电池。工程师们一直在关注的一个设计重点就是如何延长设备的电池续航时间。为了高效地管理可穿戴IoT设计中的电压总线，PMIC可以通过在必要时启用和禁用电源块来提供灵活性。PMIC可以使可穿戴IoT设备在两次充电之间运行更长的时间。除了设计灵活性外，PMIC还可提供保护、监测和控制功能。

电源管理系统将DC/DC电源转换为三种不同的形式，在物理尺寸、灵活性和效率上有所不同。线性稳压器可以完全集成并提供电压可扩展性，但效率不高。基于电容器的开关稳压器可以完全集成且高效，但不支持电压可扩展性。基于电感器的开关稳压器非常高效，并且可以实现电压可扩展性，但一般无法完全集成。

电源管理子系统的整体设计面临着一些挑战。设计中必须留出足够的物理空间给电源和热管理措施。当使用自然对流电源时，电源附近必须有足够的空间以充分冷却。如果在设计中使用强制风冷，那么设计人员必须确保电源周围能够有足够的空气流动。

Dialog半导体公司汽车业务部高级副总裁Tom Sandoval表示：“为大电流轨供电的散热挑战，主要与确保器件的内部温度（结温）不超过器件规定的温度有关。更大的电流意味着更高的功率损耗，就会产生更多的热量，要设计在系统指定环境温度下提供大电流而又不超过其规定结温的器件则更具挑战性。”电路设计的整体效率对在给定电流水平下产生的热量有重大影响。

“此外，器件所采用的封装类型会影响器件在运行中产生热的方式，” Sandoval说。“最后，在系统级别，使用各种技术来散热，以确保器件持续在规定的结温范围内工作。”

设计通常会面临很多困难和问题，因此需要对补偿控制周期和特定电源管理IC的运行有充分的了解。使用辅助设计的仿真工具可以加速和简化PMIC解决方案的开发。

在汽车应用中，PMIC必须解决的三个主要挑战是温度、合规性和安全性。汽车应用要求能在–40°C至105°C的环境温度范围中运行；因此，用于汽车平台的所有半导体器件都必须能在更宽的温度范围内提供卓越的性能。

“汽车应用要求显著更高的质量水平，以确保在长达十多年的使用中故障率接近于零。这涉及到元器件的设计、合规要求、以及测试和筛选，以确保在汽车的使用寿命内达到最高质量水平。” Sandoval说。

在汽车应用中，安全性的许多要素都集中在预防故障上。电子元器件必须具有管理电气故障的能力，并在故障发生时提供可行的解决方案。“必须在器件中设计额外的电路来支持这种功能，因此设计复杂性和成本也随之升高。” Sandoval说。

Dialog的集成式DA913X-A系列器件提供较低的系统BOM成本和较小的解决方案尺寸。该器件系列的效率水平在90％以上，从而减少了为ADAS等一系列系统中的大电流轨供电的散热设计挑战。

DA913X-A系列包含三个器件，分别配置为单或双输出降压转换器。DA9130-A为单通道、双相降压转换器，提供最高10A输出电流。DA9131-A集成了两个单相降压转换器，各提供最高5A输出电流。DA9132-A也集成了两个单相降压转换器，各提供最高3A输出电流。该系列所有器件的输入电压范围为2.5V至5.5V，输出电压范围为0.3V至1.9V，适合广泛的低电压系统。需要输出电压超过1.9V的，可以外接一颗电阻分压器。

DA913X-A电路框图（图片来源：Dialog半导体公司）

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