电源管理芯片PMIC

一、简介

        电源管理芯片（Power Management Integrated Circuits，简称PMIC）是一种集成电路，它的主要功能是在电子设备系统中对电能进行管理和控制，包括但不限于以下几点：

1. 电压转换：将电源电压转换为电子设备各部分所需的适当电压水平，包括升压（Boost）、降压（Buck）和升降压（Buck-Boost）转换。

2. 电流控制：控制和限制流向电子设备各部分的电流，以保护组件免受过电流损害。

3. 电源轨管理：管理多个电源轨，为不同的部分提供稳定的电能控制。电源轨指电路板上传输电力的线路。

4. 电源监控：提供过电压、欠电压、过电流、过热和短路保护，以防止电子设备损坏。

5. 能量转换和效率优化：通过高效的电源转换技术，减少能量损耗，提高能源利用效率。

6. 远程控制和监测：通过通信接口（如I2C、SPI、PMBus等）允许远程控制和监测电源状态。

7. 故障诊断：提供故障检测和报告功能，帮助诊断和定位电源相关问题。

8. 时序控制：在复杂的电子系统中，确保电源的上电和下电按照正确的时序进行，以避免启动错误或损坏硬件。

9. 集成化：将多种电源管理功能集成在一个芯片上，以减少外部元件数量，节省空间，降低成本。

10. 可编程和可配置：允许通过软件配置电源管理参数，以适应不同的应用需求。

二、分类

        电源管理芯片可划分为AC/DC(交流转直流)、DC/DC(直流转直流)、驱动I、保护芯片、LDO、负载开关、PMIC等。

        常见的电源主要分为车载与通讯系列、通用工业与消费系列，前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等，后者使用的电源电压一般在24V以下。
        不同应用领域规律不同，如PC中常用的是12V、5V、3.3V，模拟电路电源常用5V、15V，数字电路常用3.3V、2.5V等，现在的FPGA、DSP还用2V以下的电压，诸如1.8V、1.5V、1.2V等。

三、电压监控

        ADCMP361是一款内置基准电压的双极性输出、±0.275%精度的比较器 。由于ADCMP361内置400mV高精度基准电压源，因此可以精确的监控非常低的电压，例如0.9V 的电压轨。其中，每路电压轨都使用独立的电路。电阻分压器将电压轨按比例降低，并为每一路电源设置一个欠压跳变点。所有的输出被连接在一起，产生通用电源良好信号。

        在这个例子中，1 V稳压电源实际的电压范围是0.97 V～1.03 V。微处理器可接受的核心电压是1 V (±5%)，即0.95 V～1.05 V。因此，欠压监控范围为2%。而ADM13305、ADM13307与ADM1184的可调输入在整个温度范围内的精度高达±0.8%，电阻分压器的精度为±0.1%，这使得欠压电平监控精度范围能保持在2%以内。

四、时序控制

        当需要监控多路电压轨时，会需要更多的不只是用于简单监控电压的监控IC。例如，考虑一个常见的电源时序控制需求：FPGA（现场可编程门阵列）制造商规定，在向器件提供5V I/O（输入/输出）电压之前，必须先施加3.3V的内核电压，并持续至少20ms，以避免器件上电时受到损坏。

电源定序方法

        通常有三种类型的多轨定序。

        最常用的方法是顺序定序，这种方法是先接通一个电源轨，然后延时，然后再接通下一个电源轨。设置延时的目的是确保第一个电源轨在第二个电源轨启动之前达到稳压。

        第二种定序技术是比率定序。在该技术中，电源轨会同时启动并同时达到各自的额定电压。这就需要电源轨上升时间与电源轨电压成正比，才能同时实现稳压。

        有些器件可能无法承受达到稳压之前发生的瞬时电压差。而这可能导致器件在此期间在一个电源上消耗更高的电流。

        第三种方法是同时启动，这种方法可以最大限度地减少瞬时电压差，并且可以减少这些压力的规模和周期。实施这种方法的一种常见方式是同时上电，即：电压轨以相同速率一起上升，较高的电压轨（通常是 I/O 电压轨）在较低电压轨或内核电压轨达到其最终值后继续上升。

        不论采用哪种技术，电压均须以单调方式上升。否则，器件可能会因启动期间电压意外下降而无法正确初始化。

        另外，可以使用软启动来限制启动期间的涌流。这种做法可以限制启动期间的电流，从而允许启动时逐渐对电源轨电容进行充电。

        电源关断顺序通常被指定成与启动顺序相反。

        选择使用何种启动或关断技术应取决于器件的规格。

分立器件实现基本的时序控制

        此处采用逻辑阈值而不是比较器。12V和5V电源轨是由其它电路产生的。为了确保系统能够正确工作，必须引入一段时间延迟。这里是通过使用RC（电阻电容）电路来缓慢升高与5V电源串联的N沟道FET的栅极电压而实现的。所选用的RC值可确保FET在达到阈值电压并导通之前能获得足够的延迟时间。3.3V和1.8V电源轨是由线性稳压器ADP120和ADP130产生的。这些电压的上电时间也是利用RC来进行时序控制的。由于RC能驱动每个LDO的EN（使能）引脚，因此无需串联FET。选定的RC值要确保在EN引脚上的电压爬升到其阈值之前有足够的延迟时间（t2,t3）。

        这种简单、低成本的电源时序控制方法只占用很少的电路板面积，因此可用于多种应用。这种方法适合于成本是主要考虑因素、时序要求很简单，且时序控制电路的精确性不是十分重要的系统。但许多情况需要比RC延迟电路更高的精确性。此外，这种简单的解决方案也不允许以结构化的方法处理故障（例如，一个5V电源失效最终将影响到其它电源轨）。

利用IC进行时序控制

        使用电源时序控制器 ADM6820和ADM1086精确且可靠地对系统中的电源轨进行时序控制。内部比较器检测电压轨何时会超过精密的设定电平，经过可编程的上电延迟之后，产生输出，使线性稳压器ADP120和ADP130能按照期望的时序工作。阈值通过电阻比值来设定，延迟通过电容来设定。

五、状态机

        如下图，还是以双PMIC电源管理模块举例。PDN 在输入电源和 PMIC 之间有一个串联的外部功率模块FET。FET前后的电压由PMIC监控，PMIC通过OVPGDRV管脚控制FET。前文所示的MCU 和主 I/O 域供电的负载开关、DDR 供电的分立式降压以及为 EFUSE 供电的分立式 LDO 都连接在 FET 之后，这样可以延长对这些处理器域和分立电源过电压保护的能力。当在输入电源上检测到大于6V 的过压这一事件时，连接外部处理器的端口FET 可以将其串联的设备与PMIC进行快速隔离，以便保护包括来自FET输出的所有电源轨系统免受损坏。当然，在FET上游连接的任何电源也都不受过压事件的保护。

数字信号的连接允许系统功能，包括MCU Only下仅使用 MCU 安全岛和挂起至 RAM 低功耗模式，功能安全性高达 ASIL-D，兼容双电压 SD 卡操作和LPDDR4x 集成。处理器和 PMIC 器件之间需要有相应的数字控制信号映射。对于两个PMIC设备一起工作时，主 PMIC 和辅助 PMIC 必须建立 SPMI 通信渠道。这允许两个 TPS6594-Q1 同步其内部预配置状态机（PFSM）以便它们作为一个 PFSM 在所有电源和数字资源中运行，TPS6594-Q1上的GPIO_5 和 GPIO_6 引脚分配可以用于此功能。此外，主 PMIC LDOVINT 引脚需要连接到二次 PMIC ENABLE 输入就可以正确启动该预置的有限状态机 PFSM。

在下图中，显示了已配置的 PDN 电源状态，以及在两者之间移动的转换条件。此外，还显示了到硬件状态的转换，例如 SAFE RECOVERY 和 LP_STANDBY（Low Power Standby），硬件状态是固定设备电源有限状态机 (FSM) 的一部分。

        当 PMIC 从 FSM 转换到 PFSM 时，会执行多个初始化指令。比如禁用看门狗（BUCK）功能，以及对LDO 稳压器上的剩余电压进行检查，然后设置 FIRST_STARTUP_DONE 位。执行这些指令后，PMIC 在进入 ACTIVE 状态之前等待有效的 ON 触发请求（SU_ACTIVE 触发器）。

        在电源配置网络PDN 中，PMIC 设备具有四种配置的电源状态。主要包含以下基础的状态设置外，在电源管理模块中还设置了如何从其他硬件状态中跳转到对应的PMIC主状态中。

        每个电源状态的定义如下所述。

• Standby（待机）：此时电源管理系统PMIC 由系统电源轨 (VCCA > VCCA_UV) 上的有效电源供电，所有设备资源都在 STANDBY 状态下断电。EN_DRV 在此状态下被强制置位为低电平，处理器处于关闭状态，没有电压域通电。可以选择使用主TPS6594-Q1 EN_DRV引脚来指示已检测到错误，确保系统正在进入SAFE状态。如果系统具有一些需要由错误事件驱动的附加外部电路，则可以利用该信号。

        任何其他运行状态均可以通过立即或间歇性的关闭条件（OFF Request）进入Standby状态。而如果出现严重或者中等错误时，电源管理系统将从Standby状态跳到安全回收状态和低功耗的待机状态LP_Standby。

• Active（激活）：在激活状态下，PMIC可以直接对相应的ECU进行有源供电。此状态下PMIC 功能最为齐全，可为所有分布式电源网络中的节点负载供电。此时，各处理器已按照推荐的上电顺序完成对应模块的上电操作。从智驾系统看，其对应所有的电压域在MCU和主处理器SOC部分均已通电。

        激活期间可能出现由于ESM故障或看门狗故障导致的热重启，该重启过程不会改变整个电源管理控制状态，热重启后仍然保持在Active状态。

        如果该激活状态下接收到外部发送得请求进入轻睡眠指令后，系统将跳转至MCU Only状态，该状态下系统只启动对应的MCU模块来进行相应的指令运算。

• MCU Only（仅MCU模式）：MCU Only模式是狭义上针对诸如TDA4这一类超异构芯片所单独开发的低功耗模式，顾名思义，在该模式下，智驾系统中央域控只启动MCU模块进行相应的运算控制。广义上，纯异构芯片架构组成的智驾域控系统也存在MCU Only模式。只是相对于超异构芯片这种模式的架构来说，纯异构芯片架构在电源控制这一块上，相对更加简单可控。因为各个芯片本身的构造在电源树上就是完全解耦的。

        当然，从供电逻辑上讲，整个MCU Only模块也需要电源管理模块PMIC 直接进行有源供电。此时，分配给处理器 MCU Only工作模块的导轨电源资源将被动开启。

        此外，MCU ONLY 模式的另一种特殊情况是由于SOC电源错误而进入该状态。在这种情况下，PMIC 无法转换到活动状态或其他状态，直到处理器有意将 PMIC专门用于 MCU ONLY 状态控制。在触发TO_MCU 这一启动时序并“重新进入”MCU ONLY 状态后，PMIC 可以转换回 ACTIVE 状态。

        对于MCU Only模式下，仍然可以在ESM故障或看门狗故障导致的热重启后保持在MCU Only状态。同时，MCU Only 状态也可以被重新唤醒进入到正常激活状态Active。

• Suspend-to-RAM （悬置存储）：这种状态是专门考虑到智驾系统在很多情况下只在对运算的中间数据和结果数据进行存储的过程中的情况。这种情况更多的是系统挂起后进入简单的读写操作，占用的系统资源也主要是逻辑CPU运算资源。此阶段也要求PMIC 直接进行有源供电，只有3个SoC的三个存储电压域保持通电即可，而所有其他域都关闭以最大限度地降低系统总功耗。EN_DRV 在此状态下强制为低电平。

        悬置存储状态可以在用户重新触发激活指令（即WKUP 0—>1）时，将重新控制电源输入从而进入正常的电源供电状态。

参考资料

https://mp.weixin.qq.com/s/aXUCDdDWHjxunMFnrRHO_A

UC3842电源管理芯片详细解读-CSDN博客

电源管理芯片8个引脚功能解析_电源管理芯片-中芯巨能

电源轨概念讲解-CSDN博客

智驾系统的设计瓶颈之：电源管理设计中的功能安全和状态机_csdn 电源状态机-CSDN博客

技术深入了解：电源管理——原理、问题和器件-AET-电子技术应用

https://www.digikey.cn/zh/articles/controlling-startup-and-shutdown-power-sequences