SoC，盡在掌握！藉由PMIC賦能增效

作者：ADI 應用工程師Hermogenes Escala

摘要

隨著嵌入式系統日益複雜，傳統微控制器往往難以滿足現今的性能需求。於是，設計人員紛紛開始採用系統單晶片(SoC)解決方案。此類方案雖能提供更高的整合度和處理能力，卻也帶來了新的挑戰，尤其是在電源管理方面。本文將探討為SoC供電的基本考量因素，重點講解如何解讀和運用產品手冊及技術參考手冊中的關鍵資訊。透過剖析影響電源配置設計的五個關鍵條件，本文將提供一份實際可行的步驟指南，促進工程師胸有成竹地將電源管理積體電路(PMIC)整合至基於SoC的系統中。

引言

隨著嵌入式系統日臻精進，以因應從邊緣人工智慧(AI)、先進互聯、多媒體處理等更具挑戰性的應用，設計人員正越來越多地青睞系統單晶片(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，但也帶來了新的設計複雜性，尤其是在電源管理方面。

SoC與通常只需單一電源電壓的簡單微控制器不同的是其通常需要多個電源軌，每個電源軌都有特定的電壓水準、電流能力、時序要求和同步約束。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。

什麼是SoC？

系統單晶片(SoC)是一種積體電路，能將電腦或電子系統的所有核心元件盡數整合於單一晶片之上。其中不僅包括中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、記憶體控制器、輸入/輸出(I/O)介面，而且常常配有專用模組，例如數位訊號處理(DSP)模組、人工智慧(AI)加速器和無線通訊單元（Wi-Fi、藍牙、LTE/5G等）。SoC的宗旨是在精巧、節能的形態下實現高性能與豐富的功能，因而成為了行動端及嵌入式應用的理想選擇。

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應用於嵌入式系統和行動電話，而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中流砥柱，為智慧型手機、平板電腦、智慧手錶、醫療裝置、智慧型電視、汽車系統及物聯網(IoT)裝置等各類產品提供支援。

在如今的技術格局中，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，將功耗與空間佔用盡可能降低。這一點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、降低製造成本並提高可靠性。

SoC的主要特點包括整合度高、能效高、具備即時處理能力、支援先進連接功能。所具備的優勢不勝枚舉，例如處理速度更快、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。

什麼是PMIC？

電源管理積體電路(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水準，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，包括電壓調節（透過降壓、升壓或低壓差(LDO)穩壓器實現）、電池充放電監控、上電時序、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，當時早期手機、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。

時至今日，PMIC已然是現代電子裝置的基石，使得裝置得以憑藉更精巧的電池實現更長的續航，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的作用更是非常重要。

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(LDO)、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尺寸增大、設計複雜度居高不下，且熱管理與電磁干擾(EMI)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、低功耗及精簡的上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、更可靠的理想之選。

Figure 1. Traditional power management vs. PMIC solution. — 圖1.傳統電源管理與PMIC解決方案的比較。

Figure 2. Analog Devices PMIC connection to an SoC. — 圖2.ADI PMIC與SoC的連接。

PMIC通常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(LDO)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(I/O)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，包括致能或禁用電源軌、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展示了PMIC與SoC對接的典型連接示意圖，清晰呈現了電源通路與通訊通路。此種緊密整合確保了SoC能夠穩定高效工作，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。

透過PMIC為SoC供電時需考量的關鍵參數

當需要整合PMIC來為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的產品手冊或技術參考手冊，其中詳細羅列了晶片的電氣及功能需求。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、I/O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。
上電時序：確定上電與斷電的正確順序。
同步約束：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。

本指南的最終目標，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，這份指南都將助您胸有成竹地因應供電設計中的各類挑戰。

典型的電壓要求

每個SoC都包含多個電源域，例如核心邏輯、I/O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。這些電壓通常在產品手冊的「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0.8 V至1.2 V）。
I/O電壓(VDDIO)：為輸入/輸出介面供電，常見值包括1.8 V、2.5 V或3.3 V。
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(LDO)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，務必預留一定的安全餘裕（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，以避免閂鎖、欠壓或元件損壞。這種時序通常在產品手冊的「上電/斷電序列」章節中會明確說明。

典型順序：核心電壓 > 類比電壓 > I/O電壓
依賴性：一些周邊或記憶體介面可能需要同步上電。

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。

同步約束

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：參考產品手冊中的時序圖，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的應用場景及其重要性何在？

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(CPU)、圖形處理器(GPU)、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。

深入解析PMIC在現代醫療設備中的作用

醫療設備中的PMIC肩負著多重核心使命：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(AFE)、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具有嚴苛要求，不同子系統必須按既定順序上電或斷電，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通常配備多重冗余安全功能，如過壓保護(OVP)、欠壓保護(UVLO)、過流保護(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。

從整合的角度看，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的主要優勢

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降低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。這些安全機制提升了元件的耐用性與安全性，在醫療設備、汽車系統等關鍵應用場景中非常重要。
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的其他特性

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，有助於降低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。ADI憑藉多元化的高整合度PMIC產品系列，精準因應這些挑戰，每款產品均針對穿戴式裝置的獨特需求量身打造。

無論是開發智慧手錶、健康監測設備還是健身追蹤器，這些PMIC解決方案都能在整合度、效率與性能之間找到黃金平衡點。ADI的PMIC設計始終圍繞三大核心目標：盡可能縮減電路板空間、顯著延長電池續航、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。參見表1。

表1. 適用於全新設計的ADI PMIC
ADI PMIC	主要特性	典型應用
MAX77658	2×LDO、3×降壓-升壓轉換器、類比多工器、電池充電器	智慧手錶
MAX20345	3×降壓轉換器、2×LDO、2×負載開關、降壓-升壓轉換器、電池充電器	穿戴式生命體徵監測(VSM)裝置
MAX20360	3×降壓轉換器、降壓-升壓轉換器、2×LDO、升壓轉換器、觸覺驅動器、電池充電器	穿戴式健身追蹤器

結論

系統單晶片(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。

從SoC的產品手冊入手，聚焦電壓要求、電流需求、供電時序、同步約束和電源模式這五大關鍵條件，就能建構出一套既能滿足技術規格，又能支援長期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。

無論針對穿戴式裝置、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，就能滿懷信心地因應對各種複雜的基於SoC的系統。所以，務必要明智地規劃供電方案，讓您的設計大放異彩。