支持多轨电源时序控制与高可靠性的现代电源管理 IC

出处：网络整理发布于：2026-08-21 16:22:34

　　在当今复杂且对精度要求极高的电子系统中，电源管理集成电路（PMIC）扮演着至关重要的角色。早期的 PMIC 主要功能是监控各电源轨电压，确保其维持在额定公差范围内，同时防范欠压、过压及故障情况。而随着技术的不断发展，现代 PMIC 集成了更为丰富的功能与特性。
　　从功能特性来看，现代 PMIC 具备系统保护功能，通过热管理、欠压和过压保护以及电流监测来保护设备；能够进行上电时序控制，精准控制系统中各子电路的电源轨上电顺序，避免器件损坏，消除上电毛刺带来的不良影响；还可以保护系统免受即将发生的断电影响，在主电源轨问题导致稳压器输出断电之前进行检测并发出警报；此外，还拥有看门狗定时器、手动复位及备用电池切换等其他功能。另外，还有一些面向特定应用、集成附加功能的 PMIC，例如具备电压转换与稳压功能，可集成降压或升压稳压器，将主直流电源轨转换为所需的电压；以及电池管理功能，能管理电池的充放电循环，包括监控和安全功能。
　　PMIC 的基本监控功能看似简单，实则关键。它主要监测 DC/DC 稳压器的输出直流电压，确保其处于规定范围内。当输出电压过低时，电路中的 IC 将运行异常，部分功能和 IC 会被激活，而其他则会关闭或仅部分激活，此时 PMIC 会通过欠压锁定（UVLO）机制禁止电源轨向负载供电。当电源轨电压过高时，可能会对负载及相关 IC 造成损坏，PMIC 会启用过压保护（OVP），防止过高电压进入电路。
　　在实际应用中，电源子系统设计人员通常希望该子系统在通电后立即按预期运行。然而，尽管某些 PMIC 功能（如定时和延迟）具备一定的可编程性，但通常采用硬件固化实现，无法依赖软件配置。这是因为依赖软件配置 PMIC 较为复杂，可能会导致系统陷入 “相互依赖、无法先行启动” 的僵局。所以，对于 PMIC 而言，“可编程” 通常是指用户可以通过选择电阻和电容值，对硬件进行编程。
　　接下来详细探讨 PMIC 的功能。在时序控制方面，PMIC 监视器与时序控制器功能存在一定重叠。监视器通常监控单个电源轨，并在预定义条件下触发或释放复位信号；而时序控制器则管理两个或多个电源轨之间复位信号与电源就绪信号的相对时序，这些功能通常集成在单个器件中。例如，在一个相对简单的场景中，PMIC 会监控个稳压器的输出，当判定其输出电压轨达到预设值后，启动时序控制功能，延迟一段预设时间，再启动第二个稳压器，确保在个电源轨稳定且其所支持的功能获得充分供电之前，第二个电源轨不会被启动。如今，许多设计包含两个以上的直流电源轨，对时序控制提出了更高要求，供应商提供了四通道（甚至更多通道）的电源时序控制器。
　　对于一些复杂多轨供电的应用处理器，还有专用 PMIC 解决方案。例如图 3 所示的可配置多轨 PMIC 已通过测试，能满足特定 FPGA 的关键启动要求，包括单调电压斜坡和受控电压轨上升时间。

　　图 3：TPS75003 可配置多轨 PMIC 专为 FPGA 系列产品设计，可提供时序控制功能，并集成三个电源控制器。（图源：Texas Instruments）
　　在系统启动过程中，现代 PMIC 还能管理启动不一致问题。即使各电压轨达到标称值，但在过渡过程中的短暂不规则，也可能导致下游器件出现非预期行为。不同子系统可能会根据其内部阈值和初始化要求，对部分或中间电压水平做出不同响应，导致启动行为不一致。现代 PMIC 通过在启用下游电路之前对供电条件进行验证，并对复位信号进行严格控制，来消除不可预测的启动行为，提高整体系统可靠性。
　　预判早期故障也是现代 PMIC 的重要功能。许多系统设计假设稳压器的直流输入源始终稳定且符合规格要求，但实际情况并非总是如此。一旦出现不稳定情况，可能影响整个电源子系统的性能。电源故障警报电路（如图 4 所示）可检测系统上游电源即将发生的故障，生成电源故障输出（PFO）作为基础预警系统，PFO 信号可作为高优先级中断发送至处理器，促使其在 DC/DC 稳压器失去稳压能力之前，利用电容 “保持” 储能使输出电源轨仍可用的短暂时间窗口，执行关键任务和关断程序。

图 4：(a) 电源故障警报通过其 PF 引脚检测主电源电压，从而预判即将发生的电源故障。(b) 电源故障警报在 MCU 实际断电之前触发。（图源：Analog Devices）
　　对于一些需要持续运行且避免数据丢失的应用，会配备备用电池作为备用电源。支持备用电池切换功能的 PMIC 遵循简单的工作规则（如图 5 所示），当输入电源 (VCC) 可用时，由其为输出端 (VOUT) 供电；当 VCC断电时，则由电池电压 (VBATT) 为 VOUT供电。采用合适的 PMIC 可避免传统电源切换中因二极管压降引起的电压损耗。