基礎講座「おしえて電源IC」

第15回　複合電源IC（PMIC）ってなに？

2019年12月25日

※旧リコー電子デバイス株式会社は、2022年1月1日より新社名日清紡マイクロデバイス株式会社となりました。

皆さんこんにちは、日清紡マイクロデバイスの講師Sです。
さて、本講座では、これまでリニアレギュレータやDC/DCコンバータなど、デバイスが必要とする電源を供給する電源IC、またそれらの電源電圧を監視する電源監視ICなど、ワンチップに一つの機能が搭載された電源ICについて説明してきました。このような単一機能の電源IC以外に同一の電源供給機能をワンチップに複数搭載したマルチチャネル電源や、電源を供給するICと電源監視ICをワンチップに搭載した複合電源IC、またアプリケーションプロセッサーに電源を供給するためにリニアレギュレータやDC/DCコンバータ、電源監視ICなどがワンチップに複数搭載され、さらに各電源の起動シーケンスなどの制御回路やリチウムイオン電池の充電制御回路などがシリアルI/Fを介してアプリケーションプロセッサーで制御可能な、PMIC（Power Management IC）と呼ばれる大規模な複合電源ICが製品化されています。
今回は本講座の最終回として、このような複合電源ICについて紹介したいと思います。

複合電源ICの種類

複合電源ICと言っても、その分類の仕方はいろいろです。ここではその中の一つで複合電源ICを分類してみたいと思います。

（１）マルチチャネル電源

これまで説明してきた単体の電源ICを複数個、一つのチップ内に搭載してパッケージ化された電源ICです。電源経路（チャネル）が複数の電源という意味です。
① マルチチャネルLDO
複数のLDOをワンチップに搭載したICです。
② マルチチャネルDC/DCコンバータ
降圧、昇圧などのDC/DCコンバータを複数、ワンチップに搭載したICです。

（２）複合電源IC

（１）のマルチチャネル電源では、同一種類の電源の組合せですが、狭義の複合電源ICでは種類（機能）の異なる電源を複合化しています。例えば、LDOと電源監視ICをワンチップに搭載したものです。

（３） PMIC（Power Management IC）：電源管理IC

特定の用途向けにそのシステムに必要な複数の電源を組み合わせるだけでなく、そのシステムに合わせた電源起動シーケンスの制御や消費電力低減のための各電源のON/OFF制御などの電源制御までを行なっており、電源管理ICと言われます。

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（１）マルチチャネル電源IC

図1に、TFT-LCDにプラスマイナスの電源を供給するマルチチャネル複合電源ICの事例を示します。

図１．TFT-LCD用マルチチャネル電源ICの例

TFT-LCD用電源にはプラス側2電源マイナス側1電源の計3電源が必要です。
対象となるパネルに合わせて各電源電圧値は指定された電圧値にレーザートリミングで合わせ込み、ソフトスタート時間は外付け容量で調整することができます。
必要な電源をワンチップに集積するとともにシーケンス制御を追加することで、TFT-LCD用の電源システムが実現できています。

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（２）複合電源IC

図2に複合電源ICの事例の一つとして、MCUへの電源供給とそのMCUへの電源監視を行なう複合電源ICを示します。

図２．複合電源ICの例

従来は図2左のようにMCUが必要とする電源を供給する単体のLDO（ロー・ドロップアウト・リニアレギュレータ）と、そのLDOの出力電圧を監視する2つの単体電源監視IC、OVD（Over Voltage Detection：過電圧検出）と、UVD（Under Voltage Detection：低電圧検出）の3つのチップで、MCUへ電源を供給するとともに、その電源電圧が正常動作を保証された電圧範囲外の過電圧、または低電圧になるとMCUに対してRESET信号を出力する機能を実現していました。
図2右はLDOとOVD、UVDの3チップで構成していたこれらの機能を1チップに搭載して複合電源ICとして集約することで、部品点数の削減（ICが3チップから1チップに削減、OVDとUVDの解除遅延用の2つの外付け容量CDを共有化）による実装面積の縮小化とコストダウンが実現できることを示しています。

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PMIC

図3はタブレット向けのSoCとそのSoCに電源供給するPMICとの接続を示すブロック図です。
SoC(System on Chip)は特定のプロセッサ（Arm社のCortexやIntel社Atomなど）をコアにして、特定用途に向けて、そのシステムに必要なほとんどの回路機能をワンチップに集積した製品です。図3のSoCではArmのプロセッサコアCortexA9を搭載しています。SoCを構成する各機能ブロックは最大の性能を実現するためにそれぞれ必要とする最適な電源電圧が異なっています。また必要とする電源電圧が同じでも、システム全体の消費電流を下げるために個別の制御が必要な場合もあります。

図３．タブレット向けPMICの例

このように特定のシステムに向けて必要なDC/DCコンバータやLDOなどの複数の電源を搭載するとともに、それらの各電源のパワーオンシーケンスやパワーオフシーケンス、電圧の動的変更などを制御するいわゆる電源管理（パワーマネージメント）機能をワンチップに搭載したものがPMIC：Power Management IC (電源管理IC) です。
図に示すようにタブレット向けのSoCに必要な電源は、PMICに搭載したDC/DCコンバータ、LDOから（一部を除いて）すべて供給していることがわかります。
したがってPMICには以下のような機能が搭載されています。

電源機能：LDO、DC/DCコンバータ、充電制御IC、Fuel Gage（電池残量計）
監視機能：UVLO（低電圧誤動作防止）、WDT（ウオッチドックタイマー）など
保護機能：TSD（サーマルシャットダウン）など
制御回路：I2C（シリアルI/F）、INTC（割込み制御）、GPIO（汎用I/O）など
その他：RTC（リアルタイムクロック）など

システムに必要なほとんどすべての電源およびその電源の制御回路を集約することでシステム全体の電源管理をおこなうのがPMICですので、対象となるシステムによって構成が変わります。例えば携帯機器の場合にはリチウムイオン電池用の充電制御IC、Fuel Gage（電池残量計）が搭載されますが、据え置きシステム向けのPIMCには搭載されません。

●汎用PMICのOTP設定によるカスタマイズ

PMICは先に述べたように特定のプロセッサをコアにしたSoCに電源を供給するためのICです。プロセッサコアが同じでも用途ごとに搭載回路が異なっているため、それらに合わせた最適化が必要です。その最適化のために汎用的なPMICをカスタマイズするOTPなどが搭載されるのが一般的です。OTPはOne Time Programmable Romのことで、格納するデータを一度だけ電気的に書き込む（プログラムする）ことができるROM（Read Only Memory）です。書き込み後は読み出すことしかできません。

PMICに搭載されたOTPには顧客要求あるいは採用するSoCに合わせて、DC/DCコンバータやLDOの起動順序（シーケンス）、起動時の出力電圧の初期値電圧があらかじめプログラムされており、PMICの電源投入時にOTPからプログラムされたデータが読み出され、シーケンスを設定するレジスタや、出力電圧を設定するレジスタに反映されます。

では次にPMICに搭載される電源管理機能の例としてシーケンス制御、低消費電力制御としてのDVS（Dynamic Voltage Scaling：動的電圧可変制御）、電源モード、について説明します。

シーケンス制御

SoCのパワーオン（電源起動）時にPMICの各電源がSoC内の各機能ブロックへ電源供給を開始する順序や、パワーオフ時に電源供給を終了する順序、SoCがスリープ状態に入るときの電源オフ順序やスリープ状態から復帰するときの電源オン順序を制御するのがシーケンス制御です。
PMICはSoC内部の各ブロックに最適な電源を供給しますが、SoCの各ブロックは電源起動順序が決められており、PMICの各電源はその順序に従って電源供給する必要があります。これがシーケンス制御の主な目的です。
電源起動順序が決められている理由を図4に示す非常に簡単な例で説明します。

図４．電源シーケンス制御の必要性を示す事例

ブロック1はコアロジック1とデータバスにインターフェースするためのI/Oドライバ1、ブロック2はコアロジック2とI/Oドライバ2で構成されておりブロック1とブロック2間で双方向のデータのやり取りができます。
I/Oドライバの電源電圧はコアロジックより高いのが一般的であり、別電源から供給されます。
I/Oドライバの入出力の方向はコアロジックが制御しますので、コアロジックより先にI/Oドライバの電源が起動した場合にはその入出力が決まらない状態（これを不定と言います）になり、最悪I/Oドライバ1とI/Oドライバ2が反対の電圧レベルを出力してI/Oドライバに大電流が流れ、劣化や破壊を招く恐れがあります。これをバスの競合といいます。バスの競合を防ぐためには、コアロジックの電源を先に起動してI/Oの入出力のデータと方向を確定させた後にI/Oの電源を起動させる必要があります。
このようにシステムごとにシステムの中での各機能ブロックの電源起動順序が決められています。

それ以外にPMICのDC/DCコンバータやLDOなどの各電源にはソフトスタート機能や電流制限機能によって突入電流を抑制する機能がありますが、これらの電源が同時にすべて立ち上った場合にはPMICの入力側の電源ラインの電圧のドロップは避けられず誤動作の恐れがあります。各電源の起動タイミングをずらすことで、突入電流を分散させて誤動作を防ぐことも、シーケンス制御の目的です。
汎用のPMICでは様々なSoCに合わせてそのSoCシステムが必要とする電源起動シーケンスが実現できるように、先に説明したOTPによってカスタマイズできるようにしています。
図5は、PMICの各電源のシーケンス制御や初期値電圧がOTPで設定することを前提に、各電源の立ち上げ順序を示したタイミングチャートと各電源の初期値の一例を表に示したものです。

図５．PMICのシーケンス制御を表すタイミングチャートと初期値電圧表

タイミングチャートにはS1からS15までの時間が記されています。SはSLOTを表しています。信号名にはワイルドカード「*」が付けられています。
遅延0から遅延15までの16ステップの遅延スロットが用意されており、各電源をどのスロットに割り当てるか（入れるか）をOTPでプログラムできることを意味しています。同じスロットに入った電源は同じタイミングで起動します。電源起動はスロット1に割り当てられた電源が最初に立ち上り、スロット番号順に順次起動していき、スロット15に割り当てられた電源が最後に立ち上ります。表には各電源の初期値電圧の一例を示していますが、電圧値はOTPでプログラムできます。各電源のシーケンスや初期値電圧はプロセッサから読み書き可能なレジスタでも変更可能です。また遅延のステップの間隔もOTPで0.5ms または2msを選択できます。

DVS（Dynamic Voltage Scaling）機能

DVSはデバイスに電源電圧を供給しながらそのデバイスの動作状態（動作モード）に合わせて電源電圧を動的に変化させる機能のことで、動作時の消費電流を低減する方法の一つです。
CMOSロジック回路では、電源電圧を高くすることでMOSトランジスタのON抵抗が下がります。それによって次段のMOSトランジスタの入力容量Cgや配線の寄生容量Clへの電荷の充電や放電時間が短縮され、信号の伝搬が速くなり回路動作を高速化できます。回路デバイスの性能を優先する場合にはデバイスへ供給する電源電圧を高く設定します。

一方、高速動作が必要でない場合には電源電圧を下げることができます。
CMOSロジック回路の主な消費電流はId=fCVで表されます。例えばCMOSインバータの入力が”H”⇒”L”に遷移すると、インバータはハイサイド側のPch-MOSがON（ローサイド側のNch-MOSはOFF）して出力負荷容量C（次段のMOSのゲート容量Cgや配線容量Clの合計）に電荷を充電することで出力が”L”⇒”H”に遷移します。このとき、負荷容量Cに充電される電荷量Qは回路の電源電圧をVとするとQ=CVとなります。次にインバータの入力が”L”⇒”H”に遷移するとインバータはローサイド側のNch-MOSがON（ハイサイド側のPch-MOSはOFF）して負荷容量Cに蓄積されている電荷Q（=CV）を放電することで出力が”H”⇒”L”に遷移します。この1回のスイッチング（充放電）によってQ（=CV）の電荷が消費されることになります。電流は1秒間に流れる電荷量ですので、f を回路の動作周波数（1秒間のスイッチング回数）とすると、消費電流IdはId=fCVの式で表わされることになります。これを表わしたのが図6です。

図６．CMOS回路の動作時消費電流

ロジック回路の消費電流を下げるひとつの方法は、この式からわかるようにVCCを下げることです。消費電流の低減を優先する場合には、デバイスに供給する電源電圧を下げる制御を行ないます。
図7はDVS機能を説明するための例として、SoCに電源を供給するPMIC内蔵のDC/DCコンバータのDVS機能による出力電圧の変化の様子をタイミングチャートで表した図です。

図７．DVS機能を表すタイミングチャート

タイミングチャートの前半は、DC/DCコンバータ起動時に突入電流を抑制するためのソフトスタート機能によって、初期値設定電圧まで緩やかに電圧が立ち上がっていることを示しています。タイミングチャートの中央部はSoC側の消費電流を下げるために設定電圧を低下させる変更を行なっていることを示しています。またタイミングチャートの後半では、SoCを最大限の性能にするために高い電圧に設定変更していることを表しています。この事例ではDACを使って電圧の緩やかな変化を実現しているため、ソフトスタート、電圧可変ともに細かい電圧ステップで階段状に電圧が変化しています。
電圧変更先の設定電圧の指定や電圧変化の時間傾斜 (Ramp Rate) はPMIC内の該当するレジスタ（図7内に記載した「DC*DAC」や「DC*SR」register）にシリアルI/Fを介してSoCからデータを書き込むことで指定します。
このようにSoC動作状態に合わせてSoCの動作中に動的にSoCへの電源電圧を可変させる制御がDVS機能です。

電源モード機能

DVSは、デバイス毎の動作状態に合わせて電源電圧を変化させることで動作時の消費電流を削減する機能でしたが、電源モードはSoC全体の動作モードに合わせて各電源のON/OFFを制御することで電力消費を抑制する機能です。
ここで紹介するのはSoCの動作モードとしてPower ON、Power OFF、SLEEPの3つのモードを想定した事例です。

図８．SoCの動作モードに対応したPMICの電源ON/OFF設定表

図９．SoCの動作モードに対応したPMICの状態遷移図

図8はPMICに搭載した各DC/DCコンバータ、LDO がSoCの3つの動作モードPower ON、Power OFF、SLEEPに合わせてON/OFF状態になることを示しています。また図9は3つのモード間の状態遷移図です。
詳細な説明は省略しますが、CPUとのシリアルI/Fなどを介してSoCの3つの動作モードに合わせてPMIC内の各電源のON/OFFの組合せを切り換える制御を行なっていることをイメージしていただければと思います。

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サブPMIC

図10は携帯電話のメインおよびサブの液晶パネルのバックライトと、カメラ撮影時のフラッシュ用のLEDドライバ制御に特化した複合電源ICのブロック図です。PMICほどには大規模ではありませんが、電源としてLEDドライバ用の1倍、1.5倍、2倍昇圧のチャージポンプ以外に2チャネルLDOと1チャネルの降圧DC/DCコンバータ、入力電源であるリチウムイオン電池の電圧を監視するUVLO、CPUまたはマイコンで制御するためのシリアルI/Fを搭載しており、サブPMICに分類しています。

図１０．液晶パネル向けLEDバックライト用サブPMICの例

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複合電源ICの特徴のまとめ

複合電源あるいはPMICの特徴を簡単にまとめておきます。図11はPMICに相当する機能を個別単体のICで組み上げた場合と、PMICを使った場合のシーケンス制御とで比較しています。

図１１．シーケンス制御で比較したディスクリートICとPMIC

PMICの場合にはシステムに必要な電源をすべて搭載しているのに対して、組み上げ方式ではシステムに必要な複数の個別電源ICの調達から制御回路の設計、さらには各電源ICに合わせた実装基板の設計といった複雑な設計に対応しなければなりません。PMICの場合には電圧設定値がOTPでプログラムできますが、単体の電源ICの場合にはその電圧設定値はあらかじめレーザートリミングで合わせこまれていますので設計変更が容易ではありません。
シーケンス制御一つを取り上げても、図に示したようにPMICの場合にはOTPでカスタマイズできるのに対して、ディスクリートICの組み上げでは回路変更が必要になります。このようにPMICによって設計の複雑さを軽減できます。
また、PMIC1個で賄うことができるので実装面積やコスト面で有利であり、パッケージサイズが大きくなることから放熱特性がよくなり熱抵抗が下がって、許容損失が大きくできます。
このようにPMICは最適化と柔軟性を兼ね備えていることが特徴です。

適用例

最後にPMICの具体的な適用例を見てみましょう。
図12-1はハンディー端末、POS端末、パネルコンピュータなどの産業用アプリケーション市場で数多く採用されている NXP Semiconductor社のSoC i.MX6 に対応したPMICのアプリケーションブロック図、また図12-2はプログラマブルロジックコントローラなどの産業機器アプリケーションにおいて数多く採用されている Xilinx社のFPGA Zynq®-7000シリーズに対応したPMICのアプリケーションブロック図です。

図１２．PMICの適用例

いずれの適用例でもPMICの型番は同じですが、PMICの各電源が供給している電圧が異なっていることが見て取れます。これは、このPMICがi.MX6 SoCやZynq®-7000 が必要とする電源を搭載するとともに、その電源電圧もPMICに内蔵していているOTPを変えることによってカスタマイズできることを示しています。この図には表わせませんが、OTPを変えることによってi.MX6 SoCやZynq®-7000のシーケンス制御にも対応できます。このようにSoCやFPGAへの電源供給がひとつのPMICによって実現できるため、アプリケーションの開発工数削減と省実装面積化に貢献できます。

日清紡マイクロデバイス i.MX6用アプリケーションブロック図はこちら
 日清紡マイクロデバイス ZynqR-7000用アプリケーションブロック図はこちら

おわりに

リニアレギュレータやDC/DCコンバータなどの電源をワンチップに複数搭載しただけのマルチチャネル電源ICから、SoCなどのシステムに必要な電源をすべて搭載するとともに、システムに合わせたシーケンス制御や低消費電力化のための電源モードなど、様々な電源制御まで行なうPMICまで、複合電源について一通り紹介しました。なかでもPMICについて詳しく説明しました。今回は個別の電源ICの機能や特性ではなく、システム全体の電源の動きや制御の話が中心で抽象的な説明になってしまいましたが、イメージを掴んでいただけたでしょうか。

さて、2年半にわたって連載してきた本講座も無事に最終回を迎えることができました。
本講座は初心者向けということもあり、電源ICがどのようなものかをイメージしていただくことを優先した説明を心掛けてきましたが、果たしてそのようになっていたでしょうか。逆に厳密性や正確性に欠ける部分もあったかもしれません。また導入編としての位置づけのため、説明していない（できていない）内容も多々あります。この講座が電源ICに興味を持っていただくきっかけになり、また少しでも皆さんのお役に立てれば幸いです。

最後まで読んでいただきありがとうございました。
また、長きにわたりお付き合いいただきましてありがとうございました。

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執筆者プロフィール
講師S　（日清紡マイクロデバイス株式会社　設計センター　設計技術部）
入社以来長期に渡り、ゲートアレイ・マイコン・メモリ・電源ICなどアナログ・デジタルの各種設計に携わる。その後、複合電源ICのテスト技術も極める～設計・テスティングとその教育のスペシャリスト。毎年入社してくる技術者の卵に対する、聞き手目線の優しい解説と丁寧な指導は社内でも有名。その実績を買われ、現在はシニアエンジニアとして後進の育成や新規技術の相談役として活躍中。
日清紡マイクロデバイス株式会社について
世界に先駆けて製品化を実現したCMOSアナログ技術をコアとして、携帯機器市場向けには小型・低消費電力の電源ICを、車載・産機市場向けには高耐圧・大電流・高性能を特長とした電源ICを、Liイオンバッテリ市場向けには小型で高精度な保護ICを提供し、お客様製品の付加価値向上に貢献しています。
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