PMIC, hay Power Management Integrated Circuit, đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử hiện đại chúng trong hệ thống điện tư như thế nào? Cùng tìm hiểu trong bài blog này nhé.
1. Chip quản lý năng lượng PMIC là gì?
Như đã biết, mỗi quốc gia sẽ có một nguồn điện dân dụng riêng, gọi là nguồn điện xoay chiều AC, và tại Việt Nam thường dùng điện 220V. Từ nguồn điện xoay chiều đó, để cấp điện năng cho các thiết bị điện trong nhà, nguồn xoay chiều AC được chuyển thành nguồn 1 chiều DC và truyền điện năng vào các mạch điện tử có trong thiết bị.
Trong mỗi thiết bị điện tử được trang bị hệ thống rất nhiều mạch điện với chức năng khác nhau và có yêu cầu mức điện áp khác nhau. Và ở đây, IC quản lý nguồn có vai trò lấy điện áp từ nguồn điện và phân phối mức điện áp phù hợp, ổn định cho từng mạch điện.
2. PMIC được sử dụng như thế nào?
Cộng đồng vi mạch thường ví von rằng, IC quản lý nguồn giống như “trái tim” cung cấp máu đến các bộ phận khác nhau trong cơ thể con người. PMIC có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp từ pin hay nguồn điện, điều phối và phân bổ công suất phù hợp đến từng bộ phận khác nhau trong mạch điện tử.
Hình 1: PMIC – “Trái tim” trong các thiết bị điện tử
PMIC xử lý trình tự hệ thống điện áp, cung cấp điện áp cho nhiều tải và bảo vệ khỏi tình trạng quá áp hay thiếu điện áp hoạt động, quá dòng hay các sự cố về nhiệt. Từ đó PMIC giúp quản lý năng lượng hiệu quả hơn, hạn chế các hư hại và kéo dài tuổi thọ của pin trong các thiết bị điện tử.
3. Phân loại PMIC theo ứng dụng và chức năng
Phạm vi quản lý nguồn của PMIC tương đối rộng, bao gồm chuyển đổi nguồn (DC-DC, AC-DC, DC-AC), phân phối và phát hiện điện áp nguồn, bảo vệ và sạc pin, bộ điều khiển LED…. Vì vậy, PMIC được phân thành nhiều loại theo từng ứng dụng và chức năng của chúng.
Hình 2: Các loại PMIC (phân chia dựa trên chức năng và ứng dụng)
4. Vai trò của PMIC trong hệ thống điện tử
Một hệ thống điện tử có thể được cấp nguồn trực tiếp từ nguồn điện xoay chiều (AC).
Hình 3: Bộ điều chỉnh tuyến tính và chuyển mạch
Bộ điều chỉnh điện áp một chiều (DC) gồm 2 loại: tuyến tính và chuyển mạch.
Dựa trên điện áp đầu vào, điện áp đầu ra và mức mong muốn tải hiện tại, kỹ sư thiết kế lựa chọn điện áp DC phù hợp điều chỉnh cho thiết kế hệ thống của họ.
4.1 Bộ điều chỉnh tuyến tính
Đối với bộ điều chỉnh tuyến tính, một loại IC quan trọng phải kể đến là bộ điều chỉnh tuyến tính có điện áp rơi thấp (LDO). Nó có thể liên tục tạo ra điện áp VOUT ổn định khi chênh lệch giữa điện áp đầu vào (VIN) và điện áp đầu ra (VOUT) là rất nhỏ.
Hình 4: Bộ điều chỉnh tuyến tính điện áp rơi thấp (LDO)
Ưu điểm của bộ điều chỉnh LDO bao gồm: không có tạp âm chuyển mạch, kích thước thiết bị nhỏ hơn (vì không cần cuộn cảm lớn hay máy biến áp) và thiết kế đơn giản hơn (thường bao gồm một điện áp tham chiếu, bộ khuếch đại và phần tử truyền).
Nhược điểm là bộ điều chỉnh DC tuyến tính sinh ra nhiệt lớn và có hiệu suất thấp.
LDO có dòng tĩnh thấp (dòng tồn tại khi mạch không hoạt động), khiến chúng trở thành giải pháp tốt cho các ứng dụng di động và không dây.
4.2 Bộ điều chỉnh chuyển mạch
Bộ điều chỉnh chuyển mạch chuyển đổi VIN thành VOUT khác thông qua một phần tử chuyển mạch và sử dụng cuộn cảm và tụ điện bên ngoài để làm mịn điện áp đầu ra VOUT. Bộ điều chỉnh chuyển mạch thường hiệu quả hơn và có thể hỗ trợ dòng điện đầu ra cao hơn bộ điều chỉnh tuyến tính.
Điện áp đầu ra được điều chỉnh nhưng vẫn còn dạng gợn sóng hoặc nhiễu chuyển mạch sau khi quá trình lọc diễn ra.
Bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể được phân loại theo mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra:
Bộ điều chỉnh chuyển mạch hạ áp BUCK: VOUT nhỏ hơn VIN
Là bộ điều chỉnh chuyển đổi xuống giúp tạo ra điện áp VOUT nhỏ hơn VIN. Mạch Buck bao gồm một cuộn cảm, FET chuyển mạch hoặc diode, tụ điện và bộ khuếch đại lỗi với mạch điều khiển chuyển mạch.
Hình 5: Bộ điều chỉnh chuyển mạch BUCK
Nó hoạt động bằng cách thay đổi khoảng thời gian bật bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại (MOSFET) và cấp nguồn cho cuộn cảm. Hiệu suất cao của bộ chuyển đổi Buck xuất phát từ việc MOSFET của nó được bật hoàn toàn hoặc tắt hoàn toàn. Nó không hoạt động ở trạng thái giữa bật và tắt (điện trở) như trong bộ điều chỉnh tuyến tính.
Bộ chuyển đổi Buck tạo ra dạng sóng chuyển mạch ở chế độ điều chế độ rộng xung (PWM) hoặc chế độ điều chế tần số xung (PFM) và lọc bằng cách sử dụng các thành phần bộ lọc là tụ điện và cuộn cảm bên ngoài chip, để tạo ra điện áp đầu ra VOUT. Phương pháp chuyển đổi điện áp hiệu quả này giúp kéo dài tuổi thọ pin, giảm nhiệt độ hệ thống và cho phép kích thước sản phẩm nhỏ gọn.
Bộ chuyển đổi Buck được sử dụng trong nhiều ứng dụng cung cấp năng lượng thông qua kết nối USB và các thiết bị ngoại vi máy tính khác. Chúng cũng được sử dụng trong điện thoại thông minh, máy tính bảng, thiết bị di động và nhiều thiết bị điện tử khác.
Bộ điều chỉnh chuyển mạch Boost: VOUT lớn hơn VIN.
Là bộ điều chỉnh tăng áp giúp tạo ra VOUT từ VIN của nó. Ví dụ: bộ chuyển đổi BOOST rất hữu ích khi bạn muốn tăng điện áp DC đầu vào 3,3V lên VOUT là 5,0V. Mức tăng như vậy thường thấy trong nhiều ứng dụng pin Li-ion hoặc LiPo.
Hình 6: Bộ điều chỉnh chuyển đổi BOOST
Mạch tăng áp bao gồm các thành phần giống như một mạch điện trở (cuộn cảm, bóng bán dẫn hiệu ứng trường chuyển mạch [FET] hoặc điốt, tụ điện và bộ khuếch đại lỗi với mạch điều khiển công tắc), nhưng được kết nối khác nhau. Nó cũng hoạt động bằng cách thay đổi khoảng thời gian bật MOSFET và cấp nguồn cho cuộn cảm.
Bộ điều chỉnh chuyển mạch BUCK-BOOST: VOUT có thể thay đổi linh hoạt, thấp hơn, cao hơn hoặc bằng VIN.
Bộ chuyển đổi Buck-Boost là bộ chuyển đổi chế độ chuyển đổi kết hợp các nguyên tắc Buck và Boost thành một bộ điều chỉnh duy nhất. Nó xử lý một loạt các điện áp đầu vào và đầu ra. Mạch điều khiển điều chỉnh thời gian bật và tắt MOSFET để giảm hoặc tăng điện áp đầu vào khi cần thiết để có được VOUT mong muốn.
Hình 7: Bộ chuyển đổi BUCK-BOOST
5. Xu hướng tương lai của chip quản lý năng lượng PMIC
PMIC ngày nay rất linh hoạt vì chúng có thể phục vụ một số hoặc thậm chí tất cả các chức năng điều chỉnh điện áp chỉ với một con chip PMIC. Các PMIC đa năng này được tạo ra bằng cách ghép nối các bộ điều chỉnh đã được chuẩn hóa sẵn, được thay đổi linh hoạt phù hợp với đa dạng ứng dụng. Điều này cho phép tiết kiệm phí thiết kế và giảm thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.
Hình 8: PMIC được tạo ra từ các khối IP chuẩn hóa sẵn
Bên cạnh đó, nhu cầu của người tiêu dùng và doanh nghiệp đối với các sản phẩm tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu tác động đến môi trường và giảm lượng khí thải carbon cũng ngày càng tăng. Xu hướng “xanh” toàn cầu này đã làm tăng nhu cầu về các sản phẩm điện tử tiết kiệm điện, khiến quản lý tối ưu năng lượng trở thành một yếu tố quan trọng và được săn đón.
Cùng với sự phát triển trong công nghệ, các chip PMIC ngày càng trở nên nhỏ gọn, hiệu quả năng lượng cao, và tích hợp nhiều chức năng. Hiện nay có rất nhiều doanh nghiệp bán dẫn tập trung vào nghiên cứu và phát triển các dòng chip tiên tiến nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.