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PMU芯片选型和替代

电子产品都离不开高效可靠的电源供应和管理,电源管理芯片通常可划分为AC-DC(交流转直流)、DC-DC(直流转直流)、驱动IC、保护芯片、LDO、负载开关、PMU等,这里主要介绍PMU电路。PMU(电源管理芯片)是一种高度集成化的电源管理方案,它集成多路的LDO和DC-DC,以及相应的检测和控制电路,其核心结构通常是PWM控制器和MOSFET。高集成度的PMU器件可以有效减小电路板占用面积和器件数量,因此特别适合应用在便携电子产品中
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PMU芯片选型和替代

电子产品都离不开高效可靠的电源供应和管理,电源管理芯片通常可划分为AC-DC(交流转直流)、DC-DC(直流转直流)、驱动IC、保护芯片、LDO、负载开关、PMU等,这里主要介绍PMU电路。PMU(电源管理芯片)是一种高度集成化的电源管理方案,它集成多路的LDO和DC-DC,以及相应的检测和控制电路,其核心结构通常是PWM控制器和MOSFET。高集成度的PMU器件可以有效减小电路板占用面积和器件数量,因此特别适合应用在便携电子产品中
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技术详情

一、PMU简介:

电子产品都离不开高效可靠的电源供应和管理,电源管理芯片通常可划分为AC-DC(交流转直流)、DC-DC(直流转直流)、驱动IC、保护芯片、LDO、负载开关、PMU等,这里主要介绍PMU电路。


PMU(电源管理芯片)是一种高度集成化的电源管理方案,它集成多路的LDO和DC-DC,以及相应的检测和控制电路,其核心结构通常是PWM控制器和MOSFET。高集成度的PMU器件可以有效减小电路板占用面积和器件数量,因此特别适合应用在便携电子产品中。而且随着PMU对电源组控制的细分程度越高,PMU对系统各模块的供电控制更加精准,能够有效地降低电路系统的整体功耗。


PMU电源模组的内部电路组成部分通常包括:

(1)Buck结构DC-DC电源(降压型稳压器);

(2)LDO低压差线性稳压电源;

(3)控制电路和过压、欠压、过温等有额外的保护电路;

(4)电流检测和电池管理;

(5)电路所需要的电阻、小容量电容、电感等。


PMU能有效担负起电子设备所需的电能变换、分配、检测等管理功能,是电子设备中的关键器件,其性能优劣对电子产品的性能和可靠性有着直接影响。一个有效的电源管理系统可以延长电池寿命、提高设备效率,并确保设备在各种复杂工作条件下都能够保持稳定可靠运行。


二、PMU的核心LDO和DC-DC电路

LDO线性降压电路在PMU中很常见,它的电路结构简单,通过电阻分压实现降压,工作过程中会将降下的电压转化为热量,因此当输入输出压差和负载电流越大,芯片发热会越明显,造成较大的能量损耗。目前高性能LDO通常采用电压驱动型P沟道MOSFET作为调整管,不仅可以将静态电流能做到微安级,输入输出电压降也可以做到100mV水平。


在大电流或输入/输出压降较大,以及需要进行升压的应用场景时,LDO无法满足电路要求,此时就需要选择更高效率的DC-DC转换器。DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等类型电路,采用PWM数字控制方式。其优点很多,包括高效率、大电流输出、低静态电流、低发热量、封装小巧等。而且随着集成度的提高,许多新型DC-DC转换器只需要几只外接电感器和滤波电容器,能够大大简化了电路设计。但是DC-DC转换器也存在输出脉动、开关噪音较大和成本较高等问题。


图1:PMU在半导体芯片中的定位


非隔离型的DC-DC电源电路拓扑结构,通常分为Buck,Boost、Buck-Boost、Sepic、Cuk、Zeta等类型,其中Buck和Boost是基本结构,其他结构都是它们的组合变形,而且Buck电路比Boost电路简单,应用也最广泛,而SEPIC、CUK、ZETA拓扑结构比较复杂,应用相对较少。

 

图2:五种常见非隔离DC-DC拓扑结构


Buck:输入和输出极性相同,降压型

Boost:升压型

Buck-Boost:降升压型

Sepic:相当于是Boost和Flyback组合,转化效率高,具备升降压,同极性输出,输入电流脉动小,输出易于扩展,成本高;

Cuk:显著减小输入和输出电流脉动,转化效率更高,输入输出电压更灵活;

Zeta:输入和输出极性相同,可升降压,应用少;


其中Buck、Boost和BuckBoost是最基础的DC-DC拓扑结构,它们的电路原理特点如下:


图3:三种基础DC-DC拓扑结构说明


三、PMU选型和设计注意事项

需要注意的是,由于通常需要配合系统的上电时序,因此PMU会和系统的主芯片绑定来做定制化设计。PMU上电后系统进入待机状态,用户触发开机键后,系统首先按照开机顺序将对应的LDO、DC-DC电源打开。系统进入正常工作状态,在CPU电源供应正常后,输出复位信号给CPU,让CPU开始启动和工作,CPU会返回一个保持信号让PMU处于持续工作状态。关机时,CPU会给PMU信号,让PMU关闭进入关机状态。系统正常工作时,CPU还可以通过I2C接口对PMU的各个子模块进行控制,PMU也可以将异常事件产生中断信息反馈给系统处理。


PMU器件选型主要关注:

(1)根据电路要求确认Buck、LDO的通路数量;

(2)压降比较小的场景可用LDO,具备噪声低,静态电流小且外围电路简单;

(3)LDO选型需关注输出电压精度、漏失电压、静态电流、线性调整率LNR,负载调整率LDR、纹波抑制比PSRR、噪声、瞬态响应等指标;

(4)输入/输出压降大、大电流场景,选择高效率BUCK电路,注意电源噪声;

(5)DC-DC通路,输入电压可按要求值的1.5倍,输出电流按2倍来选,通常50%负载时开关工作效率最高;

(6)BUCK器件选型关注开关频率、占空比,不同负载时的转换效率、待机功耗、热稳定性等;如果是Boost升压电路,还要看有否输出隔离;

(7)确认控制电路、保护电路的性能参数;

(8)PMU的封装形式和热阻、可靠性指标等。


图4:PMU选型注意事项


PMU电路设计的注意事项:

(1)根据PMU电路布局和原理图,确认电源的输入/输出的主回路和元器件,进行必要的分离;

(2)确认输入/输出电源主干道,采用“一字型”或“L型”布局,充分考虑Layout的便利性,让电流的路径最短,损耗和干扰也会减少;

(3)多路电源系统优先对Buck开关电源模块进行布局,其次是LDO电路,最后才是控制电路部分;

(4)输入部分的滤波电容需要靠近IC管脚,从电源输入路径上看,先经过大电容,再经过小电容进IC,可以提升抗干扰能力;

(5)BUCK电路的电感,还存在电磁场相互干扰的问题,多路DC-DC输出的开关电源,尽量让相邻的电感相互垂直放置,减少相互之间的耦合干扰;

(6)Layout设计时关注电源主干道和回流路径,面积要尽量做到最小,同时注意大电流走线的铜箔宽度、厚度和过孔所能承载的电流,要做到留有余量;

(7)注意PMU的热设计,可以采用大面积覆铜,增加散热焊盘、过孔,增加焊锡面等方式;


四、PMU芯片的应用场景和发展趋势

PMU电源管理芯片的产业下游的应用场景广阔,已经覆盖通信、消费电子、汽车及物联网等诸多领域。随着新能源汽车、5G通信、物联网等下游市场的快速发展,电子设备数量及种类持续增长,设备电能应用效能管理将愈发重要,带动电源管理芯片需求增长。


目前PMU的技术发展方向是朝着提升转换效率,降低待机功耗方向持续发展。同时为了降低简化设计和降低综合成本,也会继续提升PMU的集成度和应用更小巧的封装。在性能方面,需要承载各种大电流负载应用,提高电压调节精度,满足高负载瞬态要求也不可或缺。同时为了适应各类智能化新应用场景带来的多样化需求,PMU与处理器进行实时通讯,灵活配置也是重要的发展趋势。


目前全球的PMU市场,特别是高端产品还掌握在欧美企业手中,TI、高通、ADI、英飞凌等厂商,现阶段在整体技术水平、产品系列和市占率等方面都处于领先地位。不过近年来,随着国内企业技术水平的不断提升,一些本土芯片厂商已经能成系列做出高性能的PMU芯片,可以直接替代海外品牌的产品,未来该领域的国产化替代发展前景广阔。


五、芯智云城推荐品牌

1,长运通


长运通半导体成立于2003年,总部位于深圳市宝安区新兴产业集聚区,设有西安分公司、合肥分公司、沈阳市芯美半导体有限公司、深圳市桦昌科技有限公司四个下属机构。长期以来致力于高性能模拟集成电路,包括电源管理、微模块、驱动电路、基准电压源、光电耦合器件等产品的研制,公司产品已覆盖高可靠、汽车级、工业级和消费电子应用领域。


图5:直接替代进口品牌PMU系列




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