Un repaso de las cinco condiciones críticas que influyen en el diseño de los esquemas de alimentación proporciona una guía práctica paso a paso para ayudar a los ingenieros a integrar con confianza los circuitos integrados de gestión de energía (PMIC) en sus sistemas basados en SoC.
Introducción
A medida que los sistemas embebidos evolucionan para controlar aplicaciones más exigentes, que van desde la inteligencia artificial edge hasta la conectividad avanzada y el procesamiento multimedia, los diseñadores recurren cada vez más a soluciones de sistemas en chip (SoC). Estos dispositivos altamente integrados ofrecen importantes ventajas en cuanto a rendimiento y funcionalidad con respecto a los microcontroladores tradicionales, pero también introducen nuevas complejidades de diseño, especialmente en el ámbito de la gestión de la energía.
A diferencia de los microcontroladores más simples, que a menudo requieren una sola tensión de alimentación, los SoC suelen necesitar múltiples carriles de alimentación, cada uno con niveles de tensión, capacidades de corriente, requisitos de secuenciación y restricciones de tiempo específicos. El incumplimiento de estos requisitos puede dar lugar a un funcionamiento poco fiable, a una reducción del rendimiento o incluso a daños permanentes en el dispositivo.
¿Qué es un SoC?
Un SoC es un circuito integrado que consolida todos los componentes esenciales de un ordenador o sistema electrónico en un solo chip. Esto incluye la unidad central de procesamiento (CPU), la unidad de procesamiento gráfico (GPU), los controladores de memoria, las interfaces de entrada/salida (E/S) y, a menudo, módulos especializados como los que se utilizan para el procesamiento de señales digitales (DSP), aceleradores de IA y unidades de comunicación inalámbrica (Wi-Fi, Bluetooth® , LTE/5G). El objetivo de un SoC es ofrecer un alto rendimiento y funcionalidad en un formato compacto y energéticamente eficiente, lo que lo hace ideal para aplicaciones móviles y embebidas.
El desarrollo de los SoC comenzó a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, impulsado por la necesidad de dispositivos electrónicos más pequeños y eficientes. Los primeros SoC se utilizaban en sistemas embebidos y teléfonos móviles, pero a medida que avanzaba la tecnología de los semiconductores, los SoC se hicieron más potentes y versátiles. Hoy en día, son la columna vertebral de la electrónica de consumo moderna, ya que alimentan todo tipo de dispositivos, desde teléfonos inteligentes y tabletas hasta relojes inteligentes, dispositivos médicos, televisores inteligentes, sistemas automovilísticos y dispositivos del Internet de las cosas (IoT).
Los SoC son cruciales en el panorama tecnológico actual porque permiten altos niveles de integración y rendimiento, al tiempo que minimizan el consumo de energía y el espacio físico. Esto es especialmente importante en los dispositivos portátiles y wearables, donde la duración de la batería y el diseño compacto son fundamentales. Su integración también reduce el número de componentes en una placa de circuito, lo que simplifica el diseño, reduce los costes de fabricación y mejora la fiabilidad.
Las características clave de los SoC incluyen alta integración, eficiencia energética, capacidades de procesamiento en tiempo real y compatibilidad con conectividad avanzada. Sus ventajas son numerosas, ya que ofrecen velocidades de procesamiento más rápidas, menor consumo de energía, tamaño reducido del sistema y rentabilidad. Además, muchos SoC se diseñan teniendo en cuenta aplicaciones específicas, lo que permite la personalización y la optimización que mejoran aún más el rendimiento y la eficiencia.
¿Qué es un PMIC?
Un circuito integrado de gestión de potencia (PMIC) es un dispositivo semiconductor altamente especializado diseñado para gestionar y regular los requisitos de alimentación de los sistemas electrónicos modernos. Estos circuitos son esenciales en dispositivos complejos como teléfonos inteligentes, tabletas, ordenadores portátiles, dispositivos wearables y sistemas embebidos, en los que múltiples componentes requieren diferentes niveles de voltaje y corriente para funcionar de manera eficiente y fiable. El PMIC actúa como centro neurálgico de la distribución de energía, garantizando que cada subsistema reciba la cantidad correcta de energía en el momento adecuado, al tiempo que optimiza el uso de la energía para prolongar la vida útil de la batería y reducir la generación de calor.
Los PMIC suelen integrar varias funciones clave en un solo chip, entre las que se incluyen la regulación de voltaje (mediante reguladores buck, boost o (LDO) de baja caída), la carga y supervisión de la batería, la secuenciación de la alimentación, la gestión térmica y la protección contra fallos. Este nivel de integración no solo ahorra espacio en la placa de circuitos, sino que también simplifica el diseño y mejora la fiabilidad general del sistema.
El concepto de gestión integrada de la potencia comenzó a ganar terreno a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990, a medida que se generalizaba el uso de dispositivos electrónicos portátiles, como los primeros teléfonos móviles y ordenadores portátiles. Inicialmente, la gestión de la potencia se realizaba mediante componentes discretos, que eran voluminosos y menos eficientes. A medida que avanzaba la tecnología de los semiconductores, los fabricantes comenzaron a integrar estas funciones en chips únicos, lo que dio lugar a la primera generación de PMIC. Con el tiempo, los PMIC evolucionaron para admitir arquitecturas de energía cada vez más sofisticadas, como el escalado dinámico de voltaje y la gestión inteligente de la alimentación, que ahora son estándar en los diseños que tienen en cuenta el consumo energético.
Hoy en día, los PMIC son una piedra angular de la electrónica moderna, ya que permiten que los dispositivos funcionen durante más tiempo con baterías más pequeñas, gestionen las cargas térmicas de forma más eficaz y cumplan con estrictas normas de eficiencia energética. Son especialmente importantes en aplicaciones alimentadas por baterías y con limitaciones de espacio, donde cada milivatio y cada milímetro cuentan.
Figura 1. Gestión de potencia tradicional frente a solución PMIC.
Una solución de gestión de potencia discreta implica el uso de componentes individuales, como convertidores reductores separados, LDO, cargadores de baterías y circuitos de protección, cada uno de los cuales realiza una función específica. Si bien este enfoque ofrece flexibilidad a la hora de seleccionar componentes adaptados a especificaciones exactas, a menudo da lugar a una mayor huella de PCB, una mayor complejidad de diseño y una gestión más difícil de las interferencias térmicas y electromagnéticas (EMI). Por el contrario, un PMIC integra múltiples funciones de alimentación en un solo chip, lo que reduce significativamente el espacio de la placa, simplifica el proceso de diseño y mejora la eficiencia general del sistema. La figura 1 ilustra el contraste entre la gestión de potencia discreta tradicional y una solución basada en PMIC, destacando las ventajas de la integración. Los PMIC son especialmente ventajosos en aplicaciones con limitaciones de espacio, como los dispositivos wearables, en los que son fundamentales la compacidad, el bajo consumo de energía y la secuenciación optimizada de la alimentación. Además, los PMIC suelen incluir funciones avanzadas como supervisión de la alimentación, protección contra fallos e interfaces de comunicación, que requerirían circuitos adicionales en una configuración discreta. En general, aunque las soluciones discretas pueden ser adecuadas para sistemas altamente personalizados o de alta potencia, los PMIC ofrecen un enfoque más eficiente y fiable para los diseños electrónicos modernos y compactos.
Figura 2. Conexión del PMIC de Analog Devices a un SoC.
Un PMIC suele conectarse a un SoC mediante una combinación de interfaces de alimentación y comunicación para garantizar un suministro de energía eficiente y coordinado. El PMIC suministra los distintos carriles de tensión que necesita el SoC, como la tensión del núcleo, la tensión de E/S y la tensión de la memoria, utilizando reguladores integrados como convertidores reductores y LDO. Estos carriles de alimentación se conectan directamente a los pines de entrada de alimentación correspondientes del SoC. Además del suministro de energía, el PMIC a menudo se comunica con el SoC a través de una interfaz digital como I²C o SPI. Esta comunicación permite al SoC controlar y supervisar las funciones del PMIC, incluyendo la activación o desactivación de los carriles de alimentación, el ajuste de los voltajes de salida, la lectura de los registros de fallos o de estado y la gestión de la secuencia de alimentación durante el arranque y el apagado. La figura 2 muestra un diagrama de conexión típico de un PMIC conectado a un SoC, en el que se ilustran tanto las vías de alimentación como las de comunicación. Esta estrecha integración garantiza que el SoC funcione de forma fiable y eficiente, especialmente en aplicaciones sensibles a la alimentación, como los dispositivos móviles y wearables.
Parámetros clave a tener en cuenta al alimentar un SoC con un PMIC
Al integrar un PMIC para alimentar un SoC, se deben evaluar cuidadosamente varios parámetros críticos para garantizar un funcionamiento fiable y eficiente de la alimentación. Estos parámetros suelen derivarse de la hoja de datos o del manual de referencia técnica del SoC, que describe los requisitos eléctricos y funcionales del chip. Comprender estos parámetros es esencial para diseñar una arquitectura de suministro de energía robusta.
• Requisitos de tensión: Comprensión de los dominios de alimentación del núcleo, las E/S y los periféricos.
• Demanda de corriente: estimación del consumo de corriente máximo y medio para cada raíl.
• Secuenciación de la alimentación: determinación del orden correcto de los eventos de encendido y apagado.
• Restricciones de tiempo: gestión de los retrasos y los tiempos de rampa entre los carriles de alimentación.
• Modos y transiciones de alimentación: compatibilidad con estados de alimentación dinámicos para la eficiencia energética.
Al final de esta guía, el diseñador dispondrá de un marco claro y práctico para diseñar una arquitectura de alimentación que garantice el funcionamiento fiable y eficiente del SoC. Tanto si es nuevo en el diseño de SoC como si desea perfeccionar un enfoque existente, este tutorial le proporcionará la confianza necesaria para recorrer el camino del encendido.
Requisitos típicos de voltaje
Cada SoC tiene múltiples dominios de alimentación, como lógica central, interfaces de E/S, bloques analógicos y memoria, que a menudo requieren diferentes niveles de voltaje. Estos voltajes suelen especificarse en una hoja de datos en secciones como «Condiciones de funcionamiento recomendadas» o «Requisitos de alimentación».
• Voltaje del núcleo (VDDCORE): alimenta la CPU y la lógica interna. A menudo es el voltaje más bajo (por ejemplo, de 0,8 V a 1,2 V).
• Voltaje de E/S (VDDIO): alimenta las interfaces de entrada/salida. Los valores comunes son 1,8 V, 2,5 V o 3,3 V.
• Voltaje analógico (VDDA): alimenta los periféricos analógicos, como los ADC o los PLL. Requiere un suministro estable y de bajo ruido.
Selección de consejos PMIC: utilice LDO o convertidores reductores para generar estos voltajes de manera eficiente.
Demanda de corriente
Cada rail de alimentación debe suministrar suficiente corriente para satisfacer tanto las demandas medias como las picos. Estos valores suelen encontrarse en la sección «Características eléctricas» o se estiman utilizando herramientas de modelado de potencia proporcionadas por el proveedor del SoC.
• Corriente máxima: necesaria durante el arranque o en modos de alto rendimiento.
• Corriente media: ayuda a dimensionar las fuentes de alimentación y a gestionar el diseño térmico.
Selección de puntas PMIC: añada siempre un margen de seguridad (por ejemplo, entre un 20 % y un 30 %) a sus estimaciones de corriente para tener en cuenta las cargas transitorias y la escalabilidad futura.
Secuencia de encendido
Muchos SoC requieren que los carriles de alimentación se enciendan y apaguen en un orden específico para evitar bloqueos, caídas de tensión o daños. Esta secuencia suele estar documentada en la sección «Secuencia de encendido/apagado» de la hoja de datos.
• Orden típico: voltaje del núcleo > voltaje analógico > voltaje de E/S
• Dependencias: algunos periféricos o interfaces de memoria pueden requerir un encendido sincronizado.
Selección de puntas PMIC: utilice PMIC con secuenciación integrada o secuenciadores de potencia discretos para automatizar este proceso.
Restricciones de sincronización
Además de la secuenciación, el tiempo entre los carriles es importante. Esto incluye:
• Tiempo de rampa: la rapidez con la que un voltaje alcanza su nivel objetivo.
• Tiempo de retardo: tiempo mínimo de espera entre la activación de diferentes carriles.
• Tiempo de retención: tiempo que un raíl debe permanecer estable antes de que comience la siguiente etapa.
Selección de puntas PMIC: compruebe los diagramas de sincronización en la hoja de datos y utilice PMIC programables o GPIO de microcontroladores para ajustar los retrasos.
Modos de alimentación y transiciones
Los SoC modernos admiten múltiples modos de alimentación (por ejemplo, activo, inactivo, suspensión, suspensión profunda) para optimizar la eficiencia energética. Cada modo puede requerir diferentes niveles de voltaje o habilitar/deshabilitar ciertos carriles.
• Escalado dinámico de voltaje (DVS): ajusta el voltaje del núcleo en función de la carga de trabajo.
• Control de alimentación: apaga los bloques no utilizados para ahorrar energía.
Selección de puntas PMIC: elija PMIC que admitan el control dinámico a través de I2C/SPI o GPIO para permitir transiciones fluidas entre los estados de alimentación.
¿Dónde se utilizan los PMIC y cuál es su importancia?
Los PMIC se encuentran en la mayoría de los teléfonos inteligentes, tabletas y dispositivos portátiles. También se encuentran en ordenadores portátiles y ultrabooks, electrónica automotriz, dispositivos IoT, equipos industriales y médicos.
En lo que respecta a las aplicaciones para teléfonos inteligentes y tabletas, el PMIC desempeña un papel fundamental a la hora de garantizar una distribución de energía eficiente, segura e inteligente en todo el dispositivo. Estos dispositivos móviles son sistemas altamente integrados con múltiples subsistemas, como la CPU, la GPU, la memoria, la pantalla, la cámara, las radios inalámbricas (Wi-Fi, Bluetooth, celular), los sensores y el almacenamiento, todos los cuales tienen diferentes requisitos de energía. El PMIC se encarga de gestionar estas diversas necesidades en tiempo real.
Una mirada más detallada al papel de los PMIC en los equipos médicos modernos
Los PMIC de los equipos médicos se encargan de regular múltiples carriles de tensión, gestionar los sistemas de carga y respaldo de las baterías y garantizar un funcionamiento ininterrumpido durante las transiciones o fallos de alimentación. Por ejemplo, en dispositivos médicos portátiles o wearables, como los medidores de glucosa o los ECG portátiles, el PMIC gestiona la potencia de las baterías recargables, optimiza el consumo de energía para prolongar la vida útil de la batería y garantiza que el dispositivo pueda funcionar de forma segura incluso en condiciones de baja potencia.
En sistemas más complejos, como máquinas de ultrasonidos, monitores de pacientes o escáneres de resonancia magnética, los PMIC se integran en las placas de control principales y se encargan de suministrar voltajes precisos a los frontales analógicos, los procesadores digitales, la memoria y los módulos de comunicación. Estos sistemas suelen requerir una secuenciación de la alimentación, en la que los diferentes subsistemas deben encenderse o apagarse en un orden específico para evitar fallos de funcionamiento o pérdidas de datos. El PMIC gestiona esta secuenciación de forma automática, basándose en la lógica programable o en las señales de control del microcontrolador o procesador del sistema.
Además, los PMIC utilizados en aplicaciones médicas suelen incluir funciones de seguridad redundantes, como protección contra sobretensión (OVP), bloqueo por subtensión (UVLO), protección contra sobrecorriente (OCP) y apagado térmico. Estas funciones son esenciales para evitar daños en los componentes electrónicos sensibles y garantizar la seguridad del paciente. En los dispositivos implantables o portátiles, los PMIC están diseñados con un consumo de energía ultrabajo y pueden incluir interfaces de recolección de energía para admitir la carga inalámbrica o la energía procedente del calor corporal o el movimiento.
En cuanto a la integración, los PMIC suelen montarse en la placa de circuito impreso principal del dispositivo médico y, a menudo, se seleccionan o incluso se diseñan a medida para cumplir con los perfiles de potencia específicos y las normas reglamentarias (como la IEC 60601) exigidas en entornos médicos. Su tamaño compacto y su alto nivel de integración ayudan a reducir el espacio en la placa y a mejorar la fiabilidad del sistema, dos aspectos cruciales en el diseño médico.
Ventajas clave de los PMIC
• Eficiencia: los PMIC optimizan la conversión y distribución de potencia, reduciendo la pérdida de energía y la generación de calor. Esto es especialmente importante en dispositivos alimentados por batería, donde maximizar la vida útil de la batería es una prioridad absoluta.
• Integración: al combinar múltiples funciones de alimentación, como la regulación de voltaje, la carga de la batería y la secuenciación de la alimentación, en un solo chip, los PMIC reducen la necesidad de componentes discretos. Esto ahorra espacio en la placa, simplifica el diseño y reduce el coste total del sistema.
• Fiabilidad: los PMIC incluyen funciones de protección integradas, como OVP, OCP y apagado térmico. Estas medidas de seguridad mejoran la durabilidad y la seguridad del dispositivo, lo que es especialmente importante en aplicaciones de misión crítica, como los sistemas médicos y automovilísticos.
• Personalización: muchos PMIC son configurables o incluso están diseñados a medida para adaptarse a los requisitos de alimentación específicos de un sistema. Esto permite un rendimiento ajustado, una mejor gestión térmica y una integración perfecta con el procesador principal o el SoC.
Otras características de los PMIC
Algunos PMIC están equipados con gestión de batería, que se encarga de la carga, la descarga, la supervisión del estado de la batería y la protección. Consumo de energía muy bajo durante el modo de suspensión y modos de bajo consumo que ayudan a reducir el consumo de energía cuando el sistema está inactivo o en modo de espera.
En el mundo en rápida evolución de la tecnología wearable, la eficiencia energética, el diseño compacto y la integración de funciones son fundamentales para ofrecer una experiencia de usuario perfecta. Analog Devices aborda estos retos con una amplia gama de PMIC altamente integrados, cada uno de ellos diseñado para satisfacer las demandas específicas de los dispositivos wearables.
Ya sea para desarrollar un reloj inteligente, un dispositivo de monitorización de la salud o un monitor de actividad física, estas soluciones PMIC logran el equilibrio perfecto entre integración, eficiencia y rendimiento. Estos PMIC están diseñados para minimizar el espacio en la placa, prolongar la vida útil de la batería y simplificar el diseño del sistema, factores clave para el éxito de cualquier producto wearable. Véase la tabla 1.
Conclusión
Alimentar un SoC es mucho más que suministrar voltaje: es un proceso cuidadosamente orquestado que afecta directamente a la estabilidad, el rendimiento y la eficiencia del sistema. A medida que los SoC siguen sustituyendo a los microcontroladores más simples en aplicaciones avanzadas, comprender sus requisitos de alimentación se convierte en algo esencial para todos los diseñadores de sistemas integrados.
Partiendo de la hoja de datos del SoC y centrándose en cinco condiciones clave (requisitos de tensión, demandas de corriente, secuenciación de la alimentación, restricciones de tiempo y modos de alimentación), se puede construir una arquitectura de alimentación que no solo cumpla con las especificaciones técnicas, sino que también admita la fiabilidad y la escalabilidad a largo plazo. La integración de un PMIC en el diseño puede simplificar este proceso, ya que ofrece características como secuenciación programable, escalado dinámico de tensión y protección contra fallos en un espacio reducido.
Ya sea que diseñe para dispositivos portátiles, automatización industrial o computación periférica, dominar estos fundamentos de la energía le proporcionará la confianza necesaria para abordar incluso los sistemas basados en SoC más complejos. Así que, potencie su diseño de forma inteligente y déjelo brillar.
Acerca del autor
Hermogenes Escala es ingeniero de aplicaciones en Analog Devices y presta apoyo al Centro de Aplicaciones Centrales (CAC) de EMEA. Con un fuerte enfoque en las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) y la gestión de la energía, Hermo aporta a su cargo una gran experiencia práctica y conocimientos técnicos. Es licenciado en Ingeniería Electrónica y de Comunicaciones por la Eastern Visayas State University (EVSU) y tiene un diploma de posgrado en Electrónica de Potencia por la Mapúa University, ambas en Filipinas.
Antes de incorporarse a ADI, Hermo desempeñó diversas funciones de diseño y asistencia en múltiples sectores, entre ellos los salpicaderos de automóviles, los sistemas de audio, el diseño de fuentes de alimentación en diferentes aplicaciones y los dispositivos médicos, lo que le ha proporcionado una perspectiva amplia y práctica de los retos de ingeniería del mundo real. Apasionado por la innovación y el aprendizaje continuo, le gusta tender puentes entre las tecnologías complejas y las aplicaciones prácticas.
