SoC，尽在掌握！借PMIC赋能增效

作者：Hermogenes Escala，ADI公司应用工程师

摘要
随着嵌入式系统日益复杂，传统微控制器往往难以满足当今的性能需求。于是，设计人员纷纷开始采用片上系统(SoC)解决方案。这类方案虽能提供更高的集成度和处理能力，却也带来了新的挑战，尤其是在电源管理方面。本文将探讨为SoC供电的基本考量因素，重点讲解如何解读和运用数据手册及技术参考手册中的关键信息。通过剖析影响电源方案设计的五个关键条件，本文将提供一份切实可行的分步指南，助力工程师胸有成竹地将电源管理集成电路(PMIC)集成到基于SoC的系统中。

引言
随着嵌入式系统日臻精进，以应对从边缘人工智能(AI)、高级互联、多媒体处理等更具挑战性的应用，设计人员正越来越多地青睐片上系统(SoC)解决方案。SoC是高度集成的器件，相较于传统微控制器，在性能和功能上优势显著，但也带来了新的设计复杂性，尤其是在电源管理方面。

与通常只需单一电源电压的简单微控制器不同，SoC通常需要多个电源轨，每个电源轨都有特定的电压水平、电流能力、时序要求和同步约束。倘若无法满足这些要求，轻则导致工作不稳、性能打折，重则可能对器件造成永久性损坏。

什么是SoC？
片上系统(SoC)是一种集成电路，能将计算机或电子系统的所有核心元件尽数整合于单一芯片之上。其中不仅包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、内存控制器、输入/输出(I/O)接口，而且常常配有专用模块，例如数字信号处理(DSP)模块、人工智能(AI)加速器和无线通信单元（Wi-Fi、蓝牙、LTE/5G等）。SoC的宗旨是在紧凑、节能的形态下实现高性能与丰富功能，因而成为了移动端及嵌入式应用的不二之选。

SoC的发展始于20世纪80年代末至90年代初，当时对更小、更高效电子设备的需求日益迫切，成为推动SoC发展的动力。早期的SoC应用于嵌入式系统和移动电话，而随着半导体技术日新月异，SoC愈发强大且功能多样。如今，SoC已然成为现代消费电子设备的中流砥柱，为智能手机、平板电脑、智能手表、医疗设备、智能电视、汽车系统及物联网(IoT)设备等各类产品提供支撑。

在当今的技术格局中，SoC的地位举足轻重，因其能在实现高集成度和高性能的同时，将功耗与空间占用尽可能降低。这一点在便携式和可穿戴设备中尤为关键，这类设备对电池续航和紧凑设计的要求堪称严苛。此外，SoC的高集成度还减少了电路板上的元件数量，进而简化了设计、降低了制造成本并提高了可靠性。

SoC的主要特点包括集成度高、能效高、具备实时处理能力、支持高级连接功能。所具备的优势不胜枚举，例如处理速度更快、功耗更低、系统尺寸更小且兼具成本效益。不仅如此，许多SoC针对特定应用场景量身打造，通过定制与优化，进一步提升性能与效率，成效显著。

什么是PMIC？
电源管理集成电路(PMIC)是一种高度专用的半导体器件，专为管理和调节现代电子系统的电源需求而设计。在智能手机、平板电脑、笔记本电脑、可穿戴设备及嵌入式系统等复杂设备中，PMIC不可或缺，因为这些设备内部的多个元件需依靠不同的电压与电流水平，才能实现高效稳定工作。PMIC作为功率分配中枢，不仅能确保每个子系统在恰当的时机获得精准供电，还能优化能源利用，从而延长电池续航并减少发热。

通常而言，PMIC会将多项关键功能集成于单芯片之中，包括电压调节（通过降压、升压或低压差(LDO)稳压器实现）、电池充放电监控、上电时序、热管理及故障保护等。这种高度集成的特性，不仅节省了电路板空间，更简化了设计流程，提升了系统整体的可靠性。

集成式电源管理的理念在20世纪80年代末至90年代初逐渐崭露头角，当时早期手机、笔记本电脑等便携式电子设备开始普及。起初，电源管理由多个体积庞大、效率低下的分立元件负责。随着半导体技术不断进步，制造商开始将电源管理功能集成到单个芯片中，由此催生了第一代PMIC。历经发展，PMIC已能支持日益复杂的电源架构，包括动态电压调节和智能电源门控等技术，如今这些已成为节能设计中的标配。

时至今日，PMIC已然是现代电子设备的基石，让设备得以凭借更小的电池实现更长的续航，更高效地管理热负荷，并满足严苛的能效标准。在电池供电及空间受限的应用场景中，每毫瓦电量与每毫米空间都弥足珍贵，PMIC的作用更是至关重要。


图1.传统电源管理与PMIC解决方案的比较。

分立电源管理方案需采用多个独立元件，如单独的降压转换器、低压差稳压器(LDO)、电池充电器及保护电路等，每个元件各司其职。这种方案虽能灵活选用贴合具体规格的元件，但往往导致PCB尺寸增大、设计复杂度居高不下，且热管理与电磁干扰(EMI)控制难度增加。相比之下，PMIC将多种电源功能集成于单个芯片之中，大幅缩减了电路板空间，简化了设计流程，还提升了系统整体效率。图1展示了传统分立电源管理与PMIC解决方案的差异，凸显了集成化带来的种种优势。在可穿戴设备等空间受限的应用中，PMIC的优势尤为突出，这类应用对紧凑性、低功耗及精简的上电时序控制的要求非常严苛。此外，PMIC通常内置电源监控、故障保护及通信接口等高级功能，而这些在分立方案中往往需要额外电路才能实现。总体而言，分立方案或许适用于高度定制化或大功率系统，但对于现代紧凑型电子设计，PMIC无疑是更高效、更可靠的理想之选。


图2.ADI公司PMIC与SoC的连接。

PMIC通常通过电源接口与通信接口的组合连接至SoC，以确保供电高效且协调。PMIC借助降压转换器、低压差稳压器(LDO)等集成稳压器，为SoC提供所需的各类电压轨，如内核电压、输入/输出(I/O)电压及存储器电压，这些电源轨直接连接至SoC上对应的电源输入引脚。除了供电之外，PMIC还经常通过I2C或SPI等数字接口与SoC进行通信。这种通信机制使SoC能够对PMIC的功能进行控制与监控，包括使能或禁用电源轨、调节输出电压、读取故障或状态寄存器，或是在启动和关机过程中管理电源时序。图2展示了PMIC与SoC对接的典型连接示意图，清晰呈现了电源通路与通信通路。这种紧密集成确保了SoC能够稳定高效工作，在移动设备、可穿戴设备等对功耗敏感的应用中表现尤为突出。

通过PMIC为SoC供电时需考量的关键参数
当需要集成PMIC来为SoC供电时，必须审慎评估多项关键参数，确保系统工作可靠且高效。这些参数通常源自SoC的数据手册或技术参考手册，其中详细罗列了芯片的电气及功能需求。透彻理解这些参数，是设计稳健供电架构的不二法门。
•        电压要求：明确核心、I/O及外设的电源域规格。
•        电流需求：估算各电源轨的峰值与平均电流消耗。
•        上电时序：确定上电与断电的正确顺序。
•        同步约束：管理各电源轨之间的延迟与斜坡时间
•        电源模式和转换：支持动态电源状态以提升能效。

本指南的最终目标，是为设计人员提供一套清晰实用的供电架构设计框架，确保SoC能够稳定高效地运行。无论是SoC设计领域的新手，还是希望优化现有方案的资深从业者，这份指南都将助您胸有成竹地应对供电设计中的各类挑战。

典型的电压要求
每个SoC都包含多个电源域，例如内核逻辑、I/O接口、模拟模块和存储器等，这些电源域往往需要各不相同的电压等级。这些电压通常在数据手册的“推荐工作条件”或“电源要求”等章节中有明文规定。
•        内核电压(VDDCORE)：为CPU和内部逻辑供电，通常是其中电压最低的（例如0.8 V至1.2 V）。
•        I/O电压(VDDIO)：为输入/输出接口供电，常见值包括1.8 V、2.5 V或3.3 V。
•        模拟电压(VDDA)：为模数转换器(ADC)或锁相环(PLL)等模拟外设供电，要求低噪声且供电稳定。
PMIC选型小贴士：使用低压差稳压器(LDO)或降压转换器高效生成这些电压。

电流需求
每条电源轨都必须提供足够的电流，以满足平均电流和峰值电流的双重需求。这些数值通常可在“电气特性”章节中找到，也可通过SoC供应商提供的功耗建模工具进行估算。
•        峰值电流：在启动阶段或高性能模式下所需的电流。
•        平均电流：有助于确定电源的规格大小，并为热设计提供依据。
PMIC选型小贴士：在估算电流时，务必预留一定的安全裕度（例如20%至30%），以应对瞬态负载和未来的扩展需求。

供电时序
许多SoC要求电源轨按特定顺序开启和关闭，以避免闩锁、欠压或器件损坏。这种时序通常在数据手册的“上电/断电序列”章节中有明确说明。
•        典型顺序：核心电压 > 模拟电压 > I/O电压
•        依赖关系：一些外设或存储器接口可能需要同步上电。
PMIC选型小贴士：选用内置时序控制功能的PMIC，或搭配分立时序控制器，可自动实现供电操作。

同步约束
除了时序控制外，电源轨之间的时间配合也至关重要，包括：
•        斜坡时间：电压达到目标值的速度。
•        延迟时间：使能不同电源轨之间的最小等待时间。
•        保持时间：在下一阶段开始之前，某一电源轨需保持稳定的时长。

PMIC选型小贴士：参考数据手册中的时序图，使用可编程PMIC或微控制器GPIO来微调延迟时间。

电源模式和转换
当今的SoC支持多种电源模式（如激活、空闲、休眠、深度休眠），以优化能效。每种模式可能需要不同的电压等级，或使能/禁用特定电源轨。
•        动态电压调节(DVS)：根据工作负载调节内核电压。
•        电源门控：关闭闲置模块以节省功耗。

PMIC选型小贴士：选择可通过I2C/SPI或GPIO进行动态控制的PMIC，以实现电源状态间的平滑转换。

PMIC的应用场景及其重要性何在？
PMIC的身影遍布大多数智能手机、平板电脑和可穿戴设备，同时也常见于笔记本电脑、超极本、汽车电子、物联网设备、工业及医疗设备中。

在智能手机和平板电脑这类应用中，PMIC扮演着核心角色，肩负着确保整个设备功率分配高效、安全且智能的重任。这些移动设备是高度集成的系统，包含多个子系统，如中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、内存、显示屏、摄像头、无线射频模块（Wi-Fi、蓝牙、蜂窝网络）、传感器和存储设备等，而每个子系统的电源要求各有不同。PMIC则负责实时管理这些纷繁多样的电源要求。

深入解析PMIC在现代医疗设备中的作用
医疗设备中的PMIC肩负着多重核心使命：调节多路电压轨、管理电池充放电与备用系统，确保电源切换或突发故障时能够持续稳定运行。以葡萄糖监测仪、便携式心电图仪等便携式或可穿戴医疗设备为例，PMIC不仅负责管理充电电池的电力输出，通过精准优化能耗来延长设备续航，更要保障即便在低电量状态下，设备仍能稳定安全地发挥功能。

而在超声设备、患者监护仪、核磁共振扫描仪等更为复杂的系统中，PMIC作为主控制板的核心组件，需为模拟前端(AFE)、数字处理器、存储器及通信模块提供精准电压。这类系统对供电时序有严苛要求，不同子系统必须按既定顺序上电或断电，方能避免设备异常或数据丢失。PMIC会依据可编程逻辑，或响应系统微控制器/处理器的控制信号，自动完成这一精密的时序调度。

此外，医疗应用中的PMIC通常配备多重冗余安全功能，如过压保护(OVP)、欠压保护(UVLO)、过流保护(OCP)及热关断等。这些功能对于保护敏感电子元件、保障患者安全而言至关重要。在植入式或可穿戴设备中，PMIC采用超低功耗设计，可能还集成了能量收集接口，以支持无线充电或利用体热、运动等能量供电。

从集成角度看，PMIC通常安装在医疗设备的主PCB上，具体的选型或定制设计需严格匹配设备的功率特性，并满足医疗领域的法规标准（如IEC 60601）。PMIC紧凑的尺寸与高度集成的特性，既能节省电路板空间，又能提升系统可靠性，这两点在医疗设备设计中均不可或缺。

PMIC的主要优势
•        高效性：PMIC可优化功率转换与分配过程，减少能量损耗和发热。这一点在电池供电设备中尤为关键，因为延长电池续航是此类设备的首要追求。
•        集成性：通过将电压调节、电池充电、供电时序等多种电源功能整合到单个芯片中，PMIC降低了对分立元件的依赖。此举不仅节省了电路板空间、简化了设计环节，还降低了系统整体成本。
•        可靠性：PMIC具有内置OVP、OCP和热关断等保护功能。这些安全机制提升了器件的耐用性与安全性，在医疗设备、汽车系统等关键应用场景中至关重要。
•        定制性：许多PMIC具备可配置的特性，甚至可根据系统的特定供电需求进行定制化设计，使性能调节更精准、热管理更高效，且能与主处理器或SoC实现无缝集成。

PMICS的其他特性
部分PMIC具备电池管理功能，可负责电池的充放电控制、健康状态监测及安全保护。在休眠模式和低功耗模式下，PMIC自身能耗极低，有助于降低系统处于闲置或待机时的功耗。

在飞速发展的可穿戴技术领域，低功耗、紧凑设计与功能集成是打造流畅用户体验的关键。ADI公司凭借多元化的高集成度PMIC产品系列，精准应对这些挑战，每款产品均针对可穿戴设备的独特需求量身打造。

无论是开发智能手表、健康监测设备还是健身追踪器，这些PMIC解决方案都能在集成度、效率与性能之间找到黄金平衡点。ADI的PMIC设计始终围绕三大核心目标：尽可能缩减电路板空间、显著延长电池续航、大幅简化系统设计，而这些正是所有可穿戴产品成功的关键所在。参见表1。

表1.  适用于全新设计的ADI PMIC

ADI PMIC主要特性典型应用
MAX776582×LDO、3×降压-升压转换器、模拟多路复用器、电池充电器智能手表
MAX203453×降压转换器、2×LDO、2×负载开关、降压-升压转换器、电池充电器可穿戴生命体征监测(VSM)设备
MAX203603×降压转换器、降压-升压转换器、2×LDO、升压转换器、触觉驱动器、电池充电器可穿戴健身追踪器

结语
片上系统(SoC)的供电远非简单的电压供给，而是一个精心协调的过程，直接关乎系统的稳定性、性能与能效。随着SoC在高端应用中逐渐取代结构简单的微控制器，理解SoC的电源需求已成为每位嵌入式设计人员的必修课。

从SoC的数据手册入手，聚焦电压要求、电流需求、供电时序、同步约束和电源模式这五大关键条件，就能构建出一套既能满足技术规格，又能支持长期可靠性与扩展性的供电架构。在设计方案中集成PMIC可化繁为简，以紧凑的尺寸提供可编程时序控制、动态电压调节、故障保护等功能。

无论针对可穿戴设备、工业自动化还是边缘计算进行设计，掌握以上电源基础知识，就能满怀信心地应对各种复杂的基于SoC的系统。所以，务必要明智地规划供电方案，让您的设计大放异彩。

作者简介
Hermogenes Escala是ADI公司欧洲、中东及非洲地区(EMEA)中央应用中心(CAC)的应用工程师。他深耕开关模式电源(SMPS)与电源管理领域，具有丰富的实操经验和深厚的技术见解。他拥有菲律宾东米沙鄢州立大学(EVSU)电子与通信工程学士学位和菲律宾马普阿大学电力电子研究生文凭。

加入ADI前，Hermo曾在多个行业担任设计与技术支持职务，涉足汽车仪表盘、音响系统、多领域电源设计及医疗设备等领域，这些经历让他对实际工程中的挑战形成了全面而务实的认知。他热衷于创新与持续学习，擅长将复杂技术与实际应用有机结合，搭建起二者之间的桥梁。