智慧型電源管理行動裝置平台 PMIC

適用不同應用處理器　可配置PMIC行情走俏

2010-12-21

Mark Jacob

由於技術日益創新及消費者期望不斷提高，使得高階手機得擁有一個宛如軍火庫般強大的運算功能。為了盡量降低開發風險、滿足上市計畫的要求與承受成本的壓力，手機設計業者不斷被驅策部署經過驗證的平台，來作為主要的設計元素。最終的結果是，半導體供應商提供包括應用處理器、各樣晶片、軟體架構、參考設計及設計工具的平台，以建構完整但獨有的生態系統。這些不同的環境，需要智慧型電源管理來滿足多達三十個以上個別功率域的需求，如此一來，也對產品設計人員帶來更複雜的要求。在理想的情況下，將需要一個一致性的解決方案，才足以滿足真正的需求。

電源管理晶片(PMIC)除了可節省電路板空間、降低物料成本及製造成本等明顯的優勢外，這些晶片可能還整合其他功能來簡化電路設計。相關的實例包括音頻編解碼器、背光發光二極體(LED)驅動器，以及觸控螢幕和記憶卡的介面。此外，PMIC通常包含一個可自主性提供充電器偵測、充電控制及安全監督主電池的多模式充電。因此，PMIC可大幅提升空間效率與電池壽命，但只適合指定廠商的應用環境，例如Dialog Semiconductor設計的DA9035便是專門針對邁威爾(Marvell)的寬頻分碼多重存取(WCDMA)平台而設計。

彈性運用PMIC價值提升

圖片來源：http://bit.1y/DA9052vid
圖1　增加相機模組至現有設計的實例影片

儘管訂製PMIC可針對分離式元件的前身產品實現大幅的效能改進，但產品設計者將偏好單一PMIC，使其可經由客製化來滿足眾多不同的應用，且毋須任何重大變更，因而讓此種具彈性的方法缺乏吸引力。如此一來，設計者可以在許多產品上重複運用相同的PMIC基礎架構，攤銷開發成本，並延長產品壽命。此外，如果可透過適合各種應用的不同周邊取得不同版本的行動平台，便能重新配置相同一款PMIC，以最低的開發成本增加，來使相同的基本設計觸及更廣泛的客戶群。「http://bit.ly/DA9052vid」網頁上的影片實例示範了如何增加相機模組至現有設計(圖1)。

由於每個行動裝置平台都確定主要零件，如主處理器、射頻系統、周邊設備、硬體加速器、多媒體處理器和記憶體等，需要電源管理支援，因此設計彈性化的PMIC是一項頗高難度的挑戰。大多時候處理器內核的電源來自於PMIC的直流對直流(DC-DC)轉換器，而其低壓降穩壓器(LDO)則提供純淨而嚴格規範的系統供電。因此每一個主要平台的改變，可因應針對功率需求變更的要求，但通常需要新的電源要求，以及控制起動電源電壓與時序的方法，同時須將加到主處理器的負擔減到最低。

任何可配置的PMIC，必須提供足夠的硬體資源，以最有效地發揮其應用潛力，同時不會因晶片成本過分昂貴而使人卻步。該晶片還必須易於產品設計人員使用，這意味著須面對易用且價格合理的軟體及編程介面需求。在理想的情況下，不改變任何系統軟體即讓PMIC被用於既定的手機參考設計平台是可行的。

這對於能應用於多種高階手機的PMIC，其所採用的操作模式也非常適用，同時還可加強主處理器、副處理器與系統周邊配置的上電及斷電時序。在理想情況下，PMIC會偵測並啟動電源/喚醒，然後隨著手機不同操作模式而有所切換，將整個系統電源管理控制權交給主處理器。

PMIC新品因應需求問世

Dialog Semiconductor的DA9052是目前第一款完全可配置、針對不同平台而編程的PMIC。2010年初Dialog也推出第二代的系統級整合型PMIC DA9057，整合超低功耗音頻編解碼器。上述兩款元件均採用7毫米×7毫米球柵陣列(BGA)封裝，並提供多達十四個獨立的電源供應，其中包括四個DC-DC降壓轉換器用以提供於1安培(A)時0.5～3.6伏特(V)輸出電壓範圍及十個可編程的LDO。該晶片並提供十六個通用輸入/輸出(I/O)埠，支援系統喚醒與周邊控制。該晶片可讓鋰離子(Li-Ion)或鋰聚合物(Li-Polymer)電池包直接接上，並具備自我協調的通用序列匯流排(USB)埠或直流電電源插座供電器，以提供精準的電流/電壓充電。

為因應最普遍的周邊及使用者介面，該晶片整合一個適合驅動顯示器背光的LED驅動電路、系統參數測量用類比數位轉換器(ADC)，以及一個電阻式觸控螢幕控制器。而兩個串行控制介面使其能與所有通用的處理器系列通訊(圖2)。

圖2　DA9052整合四組DC-DC轉換器、十組LDO及系統監控功能。

具備高度整合功能的晶片，在配置上可能非常具有挑戰性。因此，開發電路板就可以用來簡化開發，其可配合電路板上的USB-to-I2C橋接器連接至電腦。Windows相容Power Commander配置與編程工具內的圖形使用者介面，可支援所有主要基於安謀國際(ARM) IP的處理器系列，其可提供PMIC資源的檢視，能簡單且邏輯性地進行硬體配置。

當一開始時，該軟體所顯示的配置面板，可讓使用者從下拉選單選擇一個預先定義的目標處理器系列樣版，並進行修改，進而將結果儲存為一個新的專案(圖3)。

圖3　Power Commander配置面板

之後，點擊每個LDO穩壓器的按鍵來開啟配置面板，使用者可指定一個名稱，以選擇是否將立即啟用或透過電源時序控制，並定義開機電壓及時序要求的細節。

配置降壓轉換器的方式與上述相同。此外，使用者還可設定內部電流限制，並修改轉換器的切換行為。例如，當無線周邊設備運作時，可選擇定頻高速脈衝寬度調變(PWM)操作模式，在輕負載時，則建議使用雜訊較高的脈衝跳躍模式切換，以提供更高的效率。

同樣地，使用者可以為每個匯流排控制推拉通用輸入輸出(GPIO)埠命名，首先將其配置為輸入或輸出，然後定義任何可以適用的條件。若點擊Power Sequence按鍵，就會顯示一個計時拖放(Drag & Drop)螢幕，使用者可從中定義上電與斷電時序。圖4為處理器時序圖規格模擬視窗。為了減少生產成本，最終的PMIC可由Dialog於出廠前燒錄成單次可編程(OTP)元件。