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(lái)越多的新功能不斷出現。以手機為例，當今的智能手機主芯片處理能力幾乎接近個(gè)人電腦，各種商務(wù)、娛樂(lè )、多媒體，以及GPS功能都可以通過(guò)手機實(shí)現。此外，便攜產(chǎn)品也越來(lái)越注重用戶(hù)使用體驗。便攜式產(chǎn)品設計者，不斷提高產(chǎn)品在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)上的表現，并且不斷地提高產(chǎn)品的易用性，令使用者感覺(jué)產(chǎn)品的功能不斷增多，但使用卻更加簡(jiǎn)單。便攜式電子產(chǎn)品對模擬芯片功能的幾個(gè)基本訴求卻一直沒(méi)有改變，比如支持越來(lái)越高質(zhì)量的音視頻用戶(hù)體驗、更小的方案尺寸、更長(cháng)的電池工作時(shí)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。
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(jiǎn)單的電源輸出路數的疊加，而是根據應用系統的需求，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：常規的電源轉換電路如LDO、Buck、電池管理。特殊的電源管理如LED驅動(dòng)、RF專(zhuān)用的電源控制。還包括音頻數模轉換以及傳感器管理等。下圖中各種組件都可以根據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(guò)驗證的構成組件,通常稱(chēng)之為IP或者Building Block。任何沒(méi)有經(jīng)過(guò)驗證的IP第一次放在高集成度的PMIC中，都增加了潛在的設計風(fēng)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驅動(dòng)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(guò)充分驗證的分立芯片的基礎上我們能夠根據特定應用場(chǎng)合快速地開(kāi)發(fā)出各種高集成度的PMIC。
豐富的經(jīng)過(guò)驗證的IP，是發(fā)展PMIC的基礎。而發(fā)展PMIC更需要目標應用的深入理解包括：系統構架，應用需求，應用特性等等。不同的便攜式產(chǎn)品的系統構架，功能需求千變萬(wàn)化，無(wú)論是相對高集程度的，還是相對分立的解決方案。對客戶(hù)來(lái)說(shuō)合適的才是最好的。以手機應用為例，客戶(hù)不同的系統構架和設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的基帶PMIC和支持應用處理器子系統的AP PMIC兩大類(lèi). 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(huì )存在矛盾。不可能有一款PMIC適合所有不同的設計。所以分離電源方案一定會(huì )長(cháng)期存在。至于哪些構件適合采用PMIC或者分離器件，其實(shí)并沒(méi)有固定的規律，而是由具體設計來(lái)決定。在目前大部的設計者希望PMIC集成那些和主芯片組相關(guān)的供電功能(DC/DC, LDO等)，以及一些常規存在功能(充電器、比較器 RTC等)。而那些和產(chǎn)品個(gè)性設計相關(guān)的功能如燈光管理、閃光燈驅動(dòng)等，顯然由分立方案實(shí)現更加合適。而從成本的要求出發(fā)，一些深入定制的客戶(hù)化PMIC，可以將系統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成
電源管理芯片(PMIC)面臨的設計挑戰
如何提高系統用電效率，降低功耗始終是PMIC的設計挑戰。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。系統的用電效率已經(jīng)不能單純靠提高電源轉換效率得到很大的改善。提高效率的設計重點(diǎn)，已經(jīng)從電源轉換環(huán)節過(guò)渡到了負載環(huán)節。如何最聰明的讓負載盡量減少不必要的耗電，成為設計的關(guān)鍵。目前最常見(jiàn)的這類(lèi)技術(shù)是動(dòng)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(jiǎn)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進(jìn)行實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)地監測，并指示電源管理芯片輸出最優(yōu)化的電壓。通過(guò)該技術(shù)可以節省高達60%的用電。另外，我們還有針對RF PA的節電方案 (RF Power)，可以讓系統根據RF PA的實(shí)際功率輸出等級，動(dòng)態(tài)地調整供電電壓，以很大程度的節省RF PA的功耗。
此外很多模擬產(chǎn)品越來(lái)越智能，我們在其中增加了很多自動(dòng)調節和控制的功能，減少對主芯片的依賴(lài)。比如LED燈光管理芯片，內部集成了SRAM，可以根據預先編程對LED驅動(dòng)進(jìn)行控制，不需要占用CPU資源。再比如背光驅動(dòng)芯片具有環(huán)境亮度傳感器接口，驅動(dòng)芯片可以根據環(huán)境亮度自行調整背光亮度，不需要令CPU處在實(shí)時(shí)輪訊狀態(tài)，這些設計也從一定程度上降低了系統功耗。
圖2: PMIC基帶子系統框圖
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(gè)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(kāi)發(fā)已經(jīng)不是靠半導體廠(chǎng)商自行設計能夠完成的。而是要依靠和客戶(hù)深度合作。豐富的IP，對應用系統的深入理解，以及領(lǐng)先的封裝技術(shù)是發(fā)展PMIC三個(gè)重要方面�？蛻�(hù)在選擇PMIC供應商合作伙伴的時(shí)候要充分考慮供應商在這三個(gè)方面的經(jīng)驗和實(shí)力。
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