與許多其他應用不同的是，工業、醫療和軍事應用的可攜式產品，通常對於可靠性、續航力及強固性有更高的標準。這些產品的共同特點，是它們必須正常運行，並無縫地切換於各種電源之間。也因此，設計人員必須耗費大幅的心力來防止故障，並且要維持由電池供電之最長運行時間，同時當有效的動力存在時須確保可靠運作，而這個重擔大大落在電源系統及其零組件上。
顯然，滿足這些需求的電源管理晶片(PMIC)，必須允許應用從多個電源接收功率；其中可能包括牆式電源轉接器、通用序列匯流排(USB)埠、車充，甚至是鋰電池。如果PMIC整合PowerPath控制，這很容易做到。這種技術確保系統的功率保持不間斷，並可承受外部電源和電池電源間的熱插拔。在某些實例中，電池充電器也可被包含於PMIC中，如果是這樣，該電池充電電路須要確保電池保持利用應用所不需要的額外功率來充電。
此外，晶片上保護電路有時是必要的，其可防止超過30伏特(V)的外部過壓故障。最後，低無負載靜態電流也是必須的，其可在寬廣範圍的負載範圍和操作條件下提供最佳的電源效率。諸如以上功能，均是任何產品成功和實用的關鍵。
尺寸縮小/高整合度已是發展趨勢
雖然產品尺寸逐漸縮減，但對其功能和特性的要求卻不斷增加。此外，驅動行動產品的精密數位IC，如微處理器(μP)和微控制器(μC)或現場可編程閘陣列(FPGA)的業界發展趨勢，是繼續降低其工作電壓，同時增加其電流量。微處理器是導入設計時最常用的此類IC之一，而且諸如飛思卡爾(Freescale)、英特爾(Intel)、NVIDIA、三星(Samsung)等供應商也推出許多高效率產品。這些產品設計用來為眾多的可攜式、無線、行動裝置提供低功耗和高性能處理。
這些處理器的初衷，是協助原始設備製造商(OEM)開發出體積較小、成本效益性更佳並具有長電池使用壽命的可攜式掌上型裝置，同時提供更高的運算性能以執行功能豐富的多媒體應用程式。
然而，這種對於高效率和高處理性能組合的需求已經擴展到非可攜式應用領域。相關的例子包括汽車資訊娛樂系統和其他嵌入式應用，它們均需要相似的電源效率和處理性能。在所有的應用中，都必須採用一種高度專用的高性能PMIC來正確地控制和監視微處理器的電源，以便獲得此類處理器的所有性能優勢。
今日許多工業和醫療行動裝置被要求控制和編排順序，因為電源是透過不同的電路來驅動及施加，其不僅提高系統彈性，同時提供更簡單的方法來定序，不僅使設計更簡單，也提高了系統的可靠性，並允許透過單一PMIC處理更廣泛的系統，而不僅是特定的處理器需求。
過去，很多PMIC都不具備用於處理這些新式系統和微處理器所需的功率。對於任何旨在滿足上述工業或醫療電源管理IC設計限制條件的解決方案而言，其必須同時具備高整合度，包括高電流開關穩壓器和低壓差線性穩壓器(LDO)、寬廣工作溫度範圍、電源排序、關鍵參數的動態I2C控制和「難以實現的」功能構件。
此外，具有高切換頻率的元件還可縮減外部元件的尺寸，而陶瓷電容則能降低輸出漣波。這種低漣波與精準、快速響應穩壓器相組合，可滿足45奈米(nm)型處理器嚴苛的電壓容差。此類電源IC還必須擁有適應嚴苛環境的能力，包括輻射發射抑制。
諸多設計挑戰陸續浮現
今日的智慧型手機和平板電腦的設計人員正面臨著前所未有的挑戰，其中包含對於適應不斷成長的系統複雜性，以及更高功率預算之高性能電源管理系統的需求。這些系統正爭取包括更長的電池續航力、與多個電源之相容性，以及高功率密度、小尺寸和有效的熱管理之最佳平衡。
所有智慧型手機和平板電腦的共同目標，都是降低功耗。任何系統之功耗可從兩個面向來解決，首先透過最大化橫跨於整個負載電流範圍的轉換效率，其次，透過減少在所有操作模式下汲取來自直流對直流(DC/DC)轉換器的靜態電流。因此，為了在降低系統功耗上發揮積極作用，功率轉換和管理IC必須更有效率，在所有操作條件下均具備更低的功耗。
為了因應這些具體要求，凌力爾特(Linear Technology)採用Burst Mode技術於其許多電源管理和轉換IC中。這種技術可減少待機模式下IC本身所需的電流。在許多情況下，待機靜態電流小於20微安培(μA)。
最近，由鋰電池供電之產品的設計者則使用兩種基本的方法，以在其小型產品尺寸下解決電池容量受限的問題。其中一個選擇是使用單一零組件，每一個都針對單一功能最佳化。這種方法為設計、布局和散熱管理提供最高彈性，同時使各項功能實現適當的性能水準，但其主要缺點是較為昂貴且同時需要大量的電路板空間，以因應越來越多的功能要求。
另一種方法是設計者可從不同的高整合性PMIC來選擇。這些元件通常支援大多數應用所需，包括切換式DC/DC控制器、單晶切換器和眾多LDO及與電源無關的混合訊號功能，如觸控螢幕控制器、音訊編解碼器等。這些產品往往有利於性能整合，但也因在產品中的單一「熱點」集中熱而使得熱管理變得複雜。諷刺的是，此類高整合度解決方案還須占用更大的電路板面積，原因是其採用了體積大、接腳多的封裝，並且它們迫使設計者不得不在電路板布局上進行繁複作業，以容納所有的相關外部元件，如控制金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)、電感、二極體和各種各樣的被動元件，以及從PMIC至整體系統內不同負載所需的全部布線。
然而，目前已有介於運用多個電源IC或高度複雜之PMIC兩種方法之間的方案，那便是更具整合性且功能強大的PMIC，例如凌力爾特LTC3676/-1。
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| 圖1 整合式PMIC的簡化典型應用示意圖 |
LTC3676/-1是完整的電源管理解決方案(圖1)，適合於飛思卡爾i.MX6處理器、基於安謀國際(ARM)的處理器和其他的先進可攜式微處理器系統。LTC3676/-1包含4個用於內核、記憶體、輸入/輸出(I/O)和系統單晶片(SoC)電源軌的同步降壓型DC/DC轉換器(各能提供高達2.5安培電流)，以及3個用於低雜訊類比電源的300毫安培(mA)線性穩壓器。LTC3676-1配置一個用於電流供應/吸收和追蹤操作的1.5安培(A)降壓穩壓器以支援DDR記憶體終端，並增設一個用於DDR的VTTR基準輸出。這兩個接腳的特性取代了LTC3676的LDO4致能針腳和回授針腳。LDO4仍可利用I2C進行設定。支援多個穩壓器的是一種高度可配置的電源排序能力、動態輸出電壓調節、一個按鈕介面控制器，以及透過I2C介面實現的穩壓器控制，並具有大量透過一個中斷輸出提供的狀態和故障報告功能。
因應應用處理器的以上的電源管理解決方案，能夠解決上述工業及軍事系統的設計難題。此外，並提供一種具有-40℃至+125℃額定接面溫度的高溫(I等級)選項，能輕鬆滿足高溫操作需求。該IC包括一個專門用於接面溫度監視的熱警示標記和中斷，並具硬熱關機功能，因此能在功耗失控或嚴重故障時，提供可靠的硬體保護。此外，其內部穩壓器也可設置為強制連續脈衝寬度調變(PWM)工作模式，以防止操作脈衝跳躍或突發模式，即使在輕負載亦然。這樣不僅能保持固定頻率，還能降低DC/DC輸出電容器的電壓紋波。
PMIC具備整合性優勢
設計一個現代化的行動裝置以用於工業、醫療或軍用市場，是相當具有挑戰性的任務，因為其必須在不斷縮小的尺寸中包含更高的處理功能。然而，新的解決方案可讓系統設計人員選擇採取中庸的方法，以更具整合性的PMIC來解決其功率需求。當相較於使用個別IC來一塊一塊建立系統，或使用具備所有複雜功能和韌體需求的PMIC時，這是一個比較實用的方法，端看使用者的選擇。
(本文作者為凌力爾特電源產品部行銷總監)