紧凑型的电源管理方案

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众所周知,Qorvo是一家领先的射频供应商。而在2019年收购Active-semi之后,公司的产品线得到了新的延伸。
 
在早前举办的一场技术研讨会上,Qorvo电机与电源应用部门经理李方哲介绍道,Active-semi是一个聚焦在电源电机类的公司,被Qorvo收购后,其业务划分到了QorvoPPM部门下。
 
而这里谈到的PPM,主要的关键词是“programmable”也就是“可编程”,这正是李方哲演讲的主要内容。
 
李方哲表示,熟悉我们的读者应该了解,如下图所示,Active-semi之前有五大产品线,而在被Qorvo收购之后,团队还将配合其原有的RF产品线,推出RF系列电源,这部分的内容我们将在后续披露。
 
而在下述的演讲中,李方哲将围绕下图中的ModularPowerPMIC业务进行展开,这是Qorvo一系列针对紧凑型设计而推出的电源管理芯片产品。
 
 
 
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从李方哲的介绍我们得知,这系列产品主要面向的应用市场包括固态硬盘、穿戴设备、相机类产品、AR/VR眼镜和一些温控显示设备。
 
“这些产品都有一个共同特性,那就是体积小、功能灵活且复杂的系统,由此可以延伸出两个关键词,那就是集成度和可配置性。”李方哲接着说。
 
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首先看集成度方面
 
李方哲在会上说道,如下图左所示,市面上现在有一些分立的PMIC方案。但从系统角度看,一个系统通常会有很多存储设备和控制设备,它们也会有很多不同的功能,同时也有不同的要求,还还会有很多的时序。如果用分立的方案处理,那就会相对复杂,且成本和产品尺寸都会相对较高。“Qorvo的处理方式是用一个集成度较高的芯片来解决这一整套的需求。”李方哲指出。
 
 
 
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如下图所示,我们可以看到单一芯片能带来的空间节约。
 
我们可以看到单一芯片能带来的空间节约
 
 
李方哲还举例说到,如下图左所示一个电源管理模块,图右则是不同功能对电源有不同的要求。根据传统的做法,我们需要从每个buck拉出来一个电源,然后给设备供电就行了。还有一种做法是转到LDO去供电。
 
电源管理模块
 
 
来到Qorvo方面,公司希望能把大部分的功能集成到芯片上,用一个芯片来解决客户的大部分需求。采用了该公司的方案,可以把BOM的尺寸至少缩小75%,同时还有成本低的优势。尤其是在疫情期间,这种优势体现得非常明显。
 
“传统的分立器件方案需要使用更多的器件,那就要求客户多备货,这就给他们带来了更为复杂的供应链问题。在这种情况下,Qorvo集成度高方案的优势就凸显出来了。”李方哲表示。
 
Qorvo集成度高方案的优势
 
 
 
李方哲继续指出,Qorvo的电源管理芯片家族主要分成三大块:
 
  • 第一部分主要被应用到监控、相机和平板等应用需求
  •  
  • 第二部分集中在数据中心的存储设备应用上,这个市场的数据需要得到保护和采集,Qorvo延伸了一系列的高功率产品来做这个
  •  
  • 第三部分则是面向穿戴式设备的产品
在接下来的演讲中,李方哲通过几款产品,说明了公司芯片的优势。
通过几款产品,说明了公司芯片的优势
 
 
以ACT88329为例,这是Qorvo一个非常通用的一个芯片。如图所示,这个芯片拥有三个buck,两个LDO,同时还有一个maincontrol。
 
据李方哲在会上介绍,在maincontrol里面,有很多的寄存器去配置电源本身的属性和功能。与此同时,在这个芯片中,还配备了很多的GPIO,关于其具体用途,在文章后半部分有描述。
 
得益于这样的设计,Qorvo的芯片在尺寸上拥有很大的优势,具体如下图所示。
 
Qorvo的芯片在尺寸上拥有很大的优势
 
而从下面框图的介绍,我们可以看到Qorvo是如何提高这个芯片的集成度的。
 
首先,Qorvo将开关电源的开关部分集成到芯片里面,外面只有电感和电容;来到数字部分,借助下图的GPIO5/6接口,Qorvo给开发者提供了扩展的能力,借此他们能为潜在的外接开关电源提供了额外的解决方法。
 
Qorvo将开关电源的开关部分集成到芯片里面
 
面对更复杂的系统需求,Qorvo推出了更强大,拥有“7+6”(7路的bucks和6路的LDO)配置的芯片来应对。
 
ACT8846则公司的另一个明星产品,在推出十几年后,该芯片还在批量出货,当中不乏一些关键客户。
 
在此基础上,Qorvo又推出了一个迭代的产品ACT88760。该芯片的尺寸更小,输入电压范围会更大、负载也能拉得更大,静态功耗也能做到更低。
 
ACT88760
 
ACT88760(2)
 
 
Qorvo另一个代表性的产品是ACT85610。
 
从下图我们可以看到,该芯片的右侧拥有很多的buck,而在左边则有一个“STRCAPS”——也就是电容。对其熟悉的读者应该知道,Qorvo有个PLP的产品线,在ACT85610上,Qorvo相当于把PLP产品线和PMIC产品线做了一个融合,让芯片实现了更高的集成度,能够为数据中心应用提供赋能。
 
“数据中心会掉电,又会随机的突然拔电,在这两种情况下,都需要有一个蓄电的状态,保证我的能量能够供应我的负载。要达到这种目标,传统的处理方法是在供电端增加一个容量非常大的电容。Qorvo的处理方式则是想法子把电压拉起来,这样在提供同样能量的情况下,电容明显减少,成本降低也是显而易见的。”李方哲说。
 
数据中心会掉电
 
其次,看可配置方面
 
李方哲表示对于大部分应用,所谓可配置,就是指产品可以针对寄存器做配置。从电源的角度看,可配置还有另外一层意思,那就是硬件我们可以做“预设置”,只有做好了“预设置”,才能在其范围内做可配置。
 
从下图的参数数据可以看到Qorvo芯片这个“预设置”的优势。
 
预设置”的优势
 
 
来到GPIO方面,一般情况下,输入都是有三态、输出有两态,但Qorvo的芯片在这方面我们有极其灵活的设置。
 
 
GPIO方面
 
 
李方哲举例说,如图所示,在一个芯片的封装中,其中间的绿色部分是有很多GPIO,如果开发者想要把这个芯片贴到板上,把信号拉进去,那就意味着需要把中间的“球”信号通过通孔拉出去。
 
因为这里的pin值只有0.4mil,如何“拉”就成为了开发者亟需思考的问题。换而言之,“通孔”要打多大?
 
如何“拉”就成为了开发者亟需思考的问题
 
在这种尺寸的封装下,如果我们用传统的机械钻孔的做法去焊接,是无法达到的。为此我们只能使用高密度板。然而这样又会带来一个新的问题,那就是更高的BOM成本。
 
“为了在尺寸不变的前提下实现相应功能,满足客户需求,同时还降低BOM成本,Qorvo把其中的一些GPIO的‘球’拿掉,然后在中间位置打上通孔,这样就能可以使用传统的PCB板材去满足上述功能,成本自然也能降低”,李方哲说。
 
了在尺寸不变的前提下实现相应功能,满足客户需求
 
李方哲进一步指出,因为我们的芯片是可配置的,那就意味着在其中会有很多寄存器,如下图所示,在其中的一路buck会有30多个寄存器,由此可以获得非常多的配置选项。让我们可以调节包括动态、环路等参数。但我们也必须强调一下,如此多的寄存器,对于电源工程师来说,也是一个挑战。
 
我们的芯片是可配置的
为了帮助这些工程师更简易地开发产品,Qorvo把这些寄存器变成了“工具”。借助这个被称为“ActiveCiPS™”的可编程工具,开发者可以把CMI(配置文件)轻易地烧录到Qorvo的芯片里面,据李方哲介绍,这个配置文件是由Qorvo或者客户的工程师借助上位机图像化的处理方式产生的。
 
那就意味着对于电源工程师而言,不需要通过太复杂的操作就能完成相关的设置。能大幅度降低研发时间和研发成本。
 
能大幅度降低研发时间和研发成本
 
“我们的产品是一系列紧凑型的电源芯片,针对的是手持式设备相对复杂的电源系统应用,可以把整体的电源管理部分放到我们芯片内部完成,通过这样的设计,能大幅度降低客户的产品尺寸和成本”,李方哲最后总结说。
 
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