PMIC设计：巧心思，大不同

作为电子设备电能供应的心脏，电源管理芯片(PMIC)在电子设备系统中通常承担着对电能的管理、控制、变换、分配、检测等职责，以确保设备稳定运行和高效能耗管理，是现代电子产品中必不可少的一类芯片。Mordor Intelligence报告显示，2024年全球PMIC市场规模高达542亿美元，预计到2029年将增长至708亿美元。

按照功能分类，电源管理芯片可分为AC-DC转换器、DC-DC转换器、充电管理芯片、充电保护芯片、无线充电芯片、驱动芯片等多种类型。这些芯片不仅提供基本的电源管理功能，还集成了过载、过压、次序启动等高级功能。

得益于相关技术的不断演进和突破，目前，在单颗PMIC芯片上就能集成DC-DC转换、电池充电、电压调节、电源选择、电源排序以及一系列其他功能，以满足大多数现代电子设备的需求。

高速成长的“源动力”

物联网(IoT)和可穿戴设备的普及，以及消费电子产品的技术进步，被普遍认为是推动PMIC复杂性和市场增长的两大关键趋势：一方面，随着联网设备数量的持续增长，市场对高效紧凑的电源管理解决方案的需求也在增加，而PMIC对于确保这些设备的可靠供电和延长电池续航至关重要。另一方面，智能手机、平板电脑和笔记本电脑等消费类设备需要更强大且节能的组件，PMIC对于管理这些设备的电源、确保最佳性能和延长电池寿命至关重要。

在这些行业趋势的推动下，近年来，PMIC的集成化和小型化程度不断提高。如前文所述，随着电子设备变得更加紧凑，更小、更高效的电源管理解决方案的受欢迎程度日益增长。芯片制造商不断将多种电源管理功能集成到单个芯片中，以减少整体占用空间并提高性能。这一趋势在智能手机、可穿戴设备和物联网应用中尤为明显，因为在这些应用场景中，空间非常宝贵。

半导体工艺技术的进步也推动了更高效、更强大的PMIC发展。从传统的硅基工艺向氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等先进材料的转变，实现了更高的效率和更好的热性能。这些材料允许更高的开关频率，减小了无源元件的尺寸，并提高了整体功率密度。

同时，一些新兴细分行业的出现也拓展了PMIC的应用领域。以在物联网和可穿戴应用中日益普及的能量收集为例，专为能量收集设计的PMIC可以从环境光源、热源和振动等环境中捕获能量，并将其转换为可用的电能。这一趋势是由对可持续和自供电设备的需求所驱动的，它减少了对电池的依赖，并延长了电子系统的运行寿命。

无线功率传输(WPT)也是一个很好的例证。作为一种方便高效的电子设备充电方式，WPT正越来越受欢迎，一些正在开发的PMIC就支持多种WPT技术，包括感应耦合、谐振耦合和电容耦合。这一趋势是由智能手机、可穿戴设备和其他便携式设备的无线充电解决方案的普及所推动的，为用户提供了无缝且无电缆的充电体验。

最后不得不提的是人工智能(AI)和机器学习(ML)。与其它技术一样，AI/ML也正被集成到数据中心、汽车和智能设备等复杂系统中的PMIC里，用以优化电源管理。这些技术实现了自适应电源管理，使PMIC能够根据实时条件和使用模式动态调整功率输出，从而大幅提高能源效率并延长电池寿命。

如何解锁出色的PMIC设计？

显然，这不是一件容易的事情，尤其是要设计出能反映所有上述趋势并满足所有市场需求的PMIC，更是一项巨大的挑战。从电子设计自动化(EDA)供应商的角度来看，加快PMIC设计需要在三个主要领域进行创新：效率、可靠性和上市时间(TTM)。

• 提高效率

低效的设计会增加芯片面积、功耗和温度，同时降低工作频率和可靠性。如果能提供高性能、大容量的仿真和设计环境，就能够处理大型设计，同时保持领先的性能。

• 增强可靠性

高电压和电流水平会导致器件击穿、热问题和时序问题。所以，进行全面的器件老化、热分析和时序分析，支持对大型复杂设计的仿真，就格外重要。

• 缩短上市时间

更大、更复杂的设计会增加设计时间和进度，延迟产品推出。设计人员希望在流程驱动的环境中能自动突出显示诸如电迁移(EM)、IR压降和发热等问题。

新思的“巧心思”

这里的“巧心思”，指的是由若干个方案组成的产品矩阵，每种方案都有属于自己的独特竞争力，当整合在一起时又能聚合成为神奇的端到端解决方案。

以新思科技的PrimeSim SPICE为例，这是一款支持GPU加速的Spice模拟器，能够处理具有复杂寄生参数的大型设计，同时保持Spice精度，非常适合具有长瞬态时间、快速变化电压和大电流的电源管理应用。

从多年的实践经验来看，PMIC设计师非常关注的另一个关键问题，是如何准确表征和优化功率器件中漏源沟道的电阻，即导通电阻(Rdson)。为此，新思科技推出了一款专门用于PMIC中金属互连提取和分析的先进解决方案——功率器件工作台(Power Device Workbench)。

它不但支持任意复杂的、多重连接的互连结构，还能够识别对Rdson有贡献的所有电阻因素，包括金属、引线键合、接触点和过孔，并模拟电流流动和电压分布。为了帮助设计师深入了解器件互连的物理特性和工作原理，功率器件工作台能够直观显示电流密度和电压分布。

此外，考虑到实际晶圆加工后，仿真结果要与测量结果保持高度吻合才能实现最佳设计，功率器件工作台还针对金属、过孔和焊盘的布局进行了优化，其严格高效的场求解器能够得出精确的数学解。

ETHAN(电热分析，Electro - THermal Analysis)则是一款用于PMIC的电热模拟器。它基于完整的(3D、静态和瞬态)几何结构，将R3D与热引擎相结合，并使用详细的热网格。ETHAN设计得易于使用，能够轻松集成到各种仿真环境中，包括利用现有的布局、技术和规则文件。通过直观的命令，用户可以逐层构建3D结构，进而简化对PMIC封装的描述，各种文本报告和图形可视化(如热图)有助于设计师理解分析结果。

PrimeSim EMIR解决方案整合了经过生产验证和代工厂认证的可靠性分析技术，涵盖电迁移和IR压降分析。与PrimeWave设计环境的集成使用户能够设置分析选项、运行仿真和EMIR分析，并查看违规情况，以便进行有针对性的评估和调试。该环境允许用户将分析结果叠加在设计布局上，并检查焊盘到引脚以及焊盘到内部实例引脚的网络电阻。

“链”动设计生态

需要特别强调的是，仅仅确保多个工具性能出色，彼此之间交互顺畅，仅仅只是完成了一部分工作而已。如果没有与代工厂紧密合作，利用精确的工艺开发套件(PDK)开发出优化的设计和验证流程，一颗PMIC芯片就很难能被称之为优秀。

新思科技与高压工艺技术领域的行业领导者联华电子(UMC)的密切合作，可以被称之为业界典范。联华电子提供的双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体(BCD)等先进技术，其电压额定值范围从5V到200V，可覆盖各种与电源相关的应用，非常适合PMIC的实现。不仅于此，联华电子为客户提供用户友好的PDK、设计指南、示例布局和基础数字IP支持。新思科技与联华电子合作，为联华电子的所有高压(HV)和BCD技术节点开发了PDK。

同时，新思科技和联华电子还在这一技术领域与学术界紧密合作。例如，印度理工学院卡拉格普尔分校(IIT Kharagpur)使用新思科技的模拟和混合信号(AMS)设计流程以及联华电子的技术，设计了多个前沿的PMIC项目。下图就展示了其中一个DC-DC转换器的设计架构。

此外，印度理工学院的团队还利用基于联华电子180nm技术、使用新思科技的定制设计和AMS工具构建的PMIC设计，为双方的客户开发了培训实验室，用于硅实现流程。

结语

总体而言，新思科技的定制设计流程为电力电子设计师带来了独特的优势，与联华电子的紧密合作则确保了客户在最具挑战性的PMIC开发项目中拥有无缝的体验。那么，在人工智能与新能源蓬勃发展的明天，PMIC又将解锁哪些超乎想象的新技能，彻底颠覆电子设备的能源管理模式？让我们拭目以待。