PMIC助力系統穩定高效　SoC電源管理設計新思維

隨著嵌入式系統日臻精進，為因應來自邊緣人工智慧、先進聯網、多媒體等具挑戰性的應用，設計人員紛紛採用系統單晶片(System on a Chip, SoC)解決方案。SoC是高度整合的元件，相較於傳統微控制器，在性能和功能上優勢顯著，但也帶來了電源管理的挑戰。
不同於只需要單一電源電壓的微控制器，SoC往往需要多個電源軌，每個電源軌都有特定的電壓等級、電流需求、時序要求和同步限制。倘若無法滿足這些要求，輕則導致工作不穩、性能打折，重則可能對元件造成永久性損壞。
SoC的定義與功能
系統單晶片是一種積體電路，能將電腦或電子系統的所有核心元件整合於單一晶片之上。其中不僅包括中央處理單元、圖形處理單元、記憶體控制器、輸入/輸出介面，還配有專用模組。例如數位訊號處理模組、人工智慧加速器和無線通訊單元(Wi-Fi、藍牙、LTE/5G等)。SoC的設計目標是在精巧、節能的形態下實現高性能與豐富的功能，因而成為行動端及嵌入式應用的優先選擇。
SoC的發展始於20世紀80年代末至90年代初，當時對更精巧、更高效電子裝置的需求日益迫切，成為推動SoC發展的動力。早期的SoC多應用於嵌入式系統和行動電話。隨著半導體技術日新月異，SoC愈發強大且功能多樣。如今，SoC已然成為現代消費性電子裝置的主要架構基礎，為智慧型手機、平板電腦、智慧手表、醫療裝置、智慧型電視、汽車系統及物聯網裝置等產品提供支援。
在現今的技術格局中，SoC的地位舉足輕重，因其能在實現高整合度和高性能的同時，盡可能降低功耗與空間占用，而這在可攜式和穿戴式裝置中尤為關鍵，此類裝置對電池續航和精巧設計的要求堪稱嚴苛。此外，SoC的高整合度還減少了電路板上的元件數量，進而簡化設計、降低製造成本並提升可靠性。
SoC的特點包括整合度高、效能高、具備即時處理能力、支援先進連接功能。其主要優勢則包括處理速度更快、功耗更低、系統尺寸更精巧且兼具成本效益。不僅如此，許多SoC針對特定應用場景量身打造，透過客製化與優化，進一步提升性能與效率，成效顯著。
PMIC的角色與應用
電源管理積體電路(Power Management Integrated Circuit, PMIC)是一種高度專用的半導體元件，專為管理和調節現代電子系統的電源需求而設計。在智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、穿戴式裝置及嵌入式系統等複雜裝置中，PMIC不可或缺，因為這些裝置內部的多個元件需依靠不同的電壓與電流層級，才能實現高效穩定工作。PMIC作為功率分配中樞，不僅能確保每個子系統在恰當的時機獲得精準供電，還能優化能源利用，進而延長電池續航並減少發熱。
通常而言，PMIC會將多項關鍵功能整合於單晶片之中，包括透過降壓、升壓或低壓差(Low-dropout regulator, LDO)穩壓器實現電壓調節、電池充放電監控、供電時序、熱管理及故障保護等。此種高度整合的特性，不僅節省電路板空間，更簡化了設計流程，提升系統整體的可靠性。
整合式電源管理的理念在20世紀80年代末至90年代初逐漸嶄露頭角，當時手機、筆記型電腦等可攜式電子裝置開始普及。起初，電源管理由多個體積龐大、效率低下的分立元件負責。隨著半導體技術不斷進步，製造商開始將電源管理功能整合到單一晶片中，由此催生了第一代PMIC。歷經發展，PMIC已能支援日益複雜的電源架構，包括動態電壓調節和智慧電源門控等技術，如今這些已成為節能設計中的標配。
如今，PMIC已然是現代電子裝置的基石，使得裝置得以實現更長的續航，更高效地管理熱負荷，並滿足嚴苛的能效標準。在電池供電及空間受限的應用場景中，每毫瓦電量與每毫米空間都彌足珍貴，PMIC的作用顯得格外重要。
分立電源管理方案需採用多個獨立元件，如單獨的降壓轉換器、低壓差穩壓器、電池充電器及保護電路等，每個元件各司其職。此種方案雖能彈性選用貼合具體規格的元件，但往往導致PCB尺寸擴增、設計複雜化，且熱管理與電磁干擾控制難度增加。相較之下，PMIC將多種電源功能整合於單一晶片之中，大幅縮減電路板空間，簡化設計流程，並提升系統整體效率。圖1展示了傳統分立電源管理與PMIC解決方案的差異，突顯整合化帶來的種種優勢。在穿戴式裝置等空間受限的應用中，PMIC的優勢尤為突出，此類應用對精巧性、低功耗及精簡的供電時序控制的要求非常嚴苛。此外，PMIC通常內建電源監控、故障保護及通訊介面等先進功能，而這些在分立式方案中往往需要額外電路才能實現。總體而言，分立式方案或許適用於高度客製化或大功率系統，但對於現代精巧型電子設計，PMIC無疑是更高效、更可靠的優先考慮。

PMIC多透過電源介面與通訊介面的組合連接至SoC，以確保供電高效且協調。PMIC借助降壓轉換器、低壓差穩壓器等整合穩壓器，為SoC提供所需的各類電壓軌，如核心電壓、輸入/輸出電壓及記憶體電壓，這些電源軌直接連接至SoC上對應的電源輸入接腳。除了供電之外，PMIC還經常透過I²C或SPI等數位介面與SoC進行通訊。這種通訊機制使SoC能夠對PMIC的功能進行控制與監控，包括啟用或禁用電源軌、調節輸出電壓、讀取故障或狀態暫存器，或是在啟動和關機過程中管理電源時序。圖2為PMIC與SoC對接的典型連接示意圖，清晰呈現電源通路與通訊通路。此種緊密整合能確保SoC可穩定高效運作，在行動裝置、穿戴式裝置等對功耗敏感的應用中表現尤為突出。

PMIC為SoC供電時的關鍵參數
整合PMIC為SoC供電時，必須審慎評估多項關鍵參數，確保系統工作可靠且高效。這些參數通常源自SoC的技術規格，其中詳細羅列了晶片的電氣(如電壓、電流)及功能需求。透徹理解這些參數，是設計穩健供電架構的不二法門。
・電壓要求：明確核心、輸入/輸出及周邊的電源域規格。
・電流需求：估算各電源軌的峰值與平均電流消耗。
・供電時序：確定供電與斷電的正確順序。
・同步限制：管理各電源軌之間的延遲與斜坡時間。
・電源模式和轉換：支援動態電源狀態以提升能效。
本文的最終目標，是為設計人員提供一套清晰實用的供電架構設計框架，確保SoC能夠穩定高效地運行。無論是SoC設計領域的新手，或是希望優化現有方案的資深從業人員，本文都將提供實務參考，協助設計人員應對各類供電設計挑戰。
建議電壓要求
每個SoC都包含多個電源域，例如核心邏輯、輸入/輸出介面、類比模組和記憶體等，這些電源域往往需要各不相同的電壓等級。這些電壓通常在技術規格手冊的「推薦工作條件」或「電源要求」等章節中有明文規定。
・核心電壓(VDDCORE)：為CPU和內部邏輯供電，通常是其中電壓最低的(例如0.8V至1.2V)。
・輸入/輸出電壓(VDDIO)：為輸入/輸出介面供電，常見值包括1.8V、2.5V或3.3V。
・類比電壓(VDDA)：為類比數位轉換器(ADC)或鎖相迴路(PLL)等類比周邊供電，要求低雜訊且供電穩定。
・PMIC選型小技巧：使用低壓差穩壓器或降壓轉換器高效生成這些電壓。
電流需求
每條電源軌都必須提供足夠的電流，以滿足平均電流和峰值電流的雙重需求。這些數值通常可在「電氣特性」章節中找到，也可透過SoC供應商提供的功耗建模工具進行估算。
・峰值電流：在啟動階段或高性能模式下所需的電流。
・平均電流：有助於確定電源的規格大小，並為熱設計提供依據。
・PMIC選型小技巧：在估算電流時，務必預留安全餘裕(例如20%至30%)，以因應瞬態負載和未來的擴展需求。
供電時序
許多SoC要求電源軌按特定順序開啟和關閉，以避免出現閂鎖效應(Latch-up)、欠壓或元件損壞。這種時序通常在技術規格手冊的「供電/斷電序列」章節中會明確說明。
・標準順序：核心電壓>類比電壓>輸入/輸出電壓
・依賴性：一些周邊或記憶體介面可能需要同步供電。
・PMIC選型小技巧：選用內建時序控制功能的PMIC，或搭配分立時序控制器，可自動實現供電操作。
同步限制
除了時序控制外，電源軌之間的時間配合也非常重要，包括：
・斜坡時間：電壓達到目標值的速度。
・延遲時間：致能不同電源軌之間的最小等待時間。
・保持時間：在下一階段開始之前，某一電源軌需保持穩定的時長。
・PMIC選型小技巧：參考技術規格手冊中的時序圖，使用可編程PMIC或微控制器GPIO來微調延遲時間。
電源模式和轉換
目前的SoC支援多種電源模式(如啟動、空閒、休眠、深度休眠)，以優化能效。每種模式可能需要不同的電壓等級，或致能/禁用特定電源軌。
・動態電壓調節(DVS)：根據工作負載調節核心電壓。
・電源門控：關閉閒置模組以節省功耗。
・PMIC選型小技巧：選擇可透過I2C/SPI或GPIO進行動態控制的PMIC，以實現電源狀態間的平滑轉換。
PMIC的應用及重要性
PMIC的運用涵蓋大多數智慧型手機、平板電腦和穿戴式裝置，同時也常見於筆記型電腦、超輕薄筆電、汽車電子、物聯網裝置、工業設備及醫療儀器中。
在智慧型手機和平板電腦這類應用中，PMIC扮演著核心角色，肩負著確保整個裝置功率分配高效、安全且智慧的重任。這些行動裝置是高度整合的系統，包含多個子系統，如中央處理器、圖形處理器、記憶體、顯示器、相機、無線射頻模組(Wi-Fi、藍牙、行動網路)、感測器和儲存裝置等，而每個子系統的電源要求各有不同。PMIC則負責即時管理這些紛繁多樣的電源要求。
PMIC在現代醫療設備中的應用解析
醫療設備中的PMIC肩負著多重核心使命，如調節多路電壓軌、管理電池充放電與備援系統，確保電源切換或突發故障時能夠持續穩定運作。以血糖監測器、可攜式心電圖儀等可攜式或穿戴式醫療裝置為例，PMIC不僅負責管理充電電池的電力輸出，透過精準優化能耗來延長裝置續航，更要保障即便在低電量狀態下，裝置仍能穩定安全地發揮功能。
而在超音波設備、患者監護器、核磁共振掃描器等更為複雜的系統中，PMIC作為主控制板的核心元件，需為類比前端、數位處理器、記憶體及通訊模組提供精準電壓。此類系統對供電時序要求嚴苛，不同子系統必須按既定順序供電或斷電，以避免裝置異常或資料丟失。PMIC能依據可編程邏輯，或回應系統微控制器/處理器的控制訊號，自動完成此一精密的時序調度。
此外，醫療應用中的PMIC通常配備多重備援安全功能，如過壓保護(Over Voltage Protection, OVP)、欠壓保護(Under Voltage Lock Out, UVLO)、過流保護(Over Current Protection, OCP)及熱關斷等。這些功能對於保護敏感電子元件、保障患者安全而言非常重要。在植入式或穿戴式裝置中，PMIC採用超低功耗設計，可能還整合了能量收集介面，以支援無線充電或利用體熱、運動等能量供電。
從整合的角度觀察，PMIC通常安裝在醫療設備的主PCB上，具體的選型或客製化設計需嚴格匹配設備的功率特性，並滿足醫療領域的法規標準(如IEC 60601)。PMIC精巧的尺寸與高度整合的特性，既能節省電路板空間，又能提升系統可靠性，這兩點在醫療設備設計中都是關鍵考量。
PMIC主要優勢
・高效性：PMIC可優化功率轉換與分配過程，減少能量損耗和發熱。這一點在電池供電裝置中尤為關鍵，因為延長電池續航是此類裝置的首要追求。
・整合性：透過將電壓調節、電池充電、供電時序等多種電源功能整合到單一晶片中，PMIC減少了對分立元件的依賴。此舉不僅節省了電路板空間、簡化設計環節，並降低系統整體成本。
・可靠性：PMIC具有內建OVP、OCP和熱關斷等保護功能。這些機制可提升元件的耐用性與安全性，在醫療設備、汽車系統等應用場景中至關重要。
・客製化：許多PMIC具備可配置的特性，甚至可根據系統的特定供電需求進行客製化設計，使性能調節更精準、熱管理更高效，且能與主處理器或SoC實現無縫整合。
PMICS相關特性
部分PMIC具備電池管理功能，可負責電池的充放電控制、健康狀態監測及安全保護。在休眠模式和低功耗模式下，PMIC自身能耗極低，有助於減少系統處於閒置或待機時的功耗。
在快速發展的穿戴式科技領域中，低功耗、精巧設計與功能整合是打造流暢用戶體驗的關鍵。廠商如ADI即透過高度整合的PMIC系列產品，以因應這些挑戰，並試圖在開發智慧手表、健康監測設備以及健身追蹤器時，嘗試在整合度、效率與性能之間取得平衡，盡可能縮減電路板空間、延長電池續航、大幅簡化系統設計，而這些正是所有穿戴式產品成功的關鍵所在，如表1。

SoC的供電遠非簡單的電壓供給，而是一個精心協調的過程，直接關乎系統的穩定性、性能與能效。隨著SoC在先進應用中逐漸取代結構簡單的微控制器，理解SoC的電源需求已成為每位嵌入式設計人員的必修課。
依據SoC技術規格，設計人員需聚焦電壓要求、電流需求、供電時序、同步限制和電源模式等五大關鍵條件，以建構既能滿足技術規格，又具可靠性與擴展性的供電架構。在設計方案中整合PMIC可化繁為簡，以精巧的尺寸提供可編程時序控制、動態電壓調節、故障保護等功能。
無論穿戴式裝置、工業自動化還是邊緣計算進行設計，掌握以上電源基礎知識，審慎規劃供電方案，就能穩健應對各種複雜的基於SoC的系統設計需求。
(本文作者為ADI應用工程師)