随着固态硬盘（SSD）、FPGA与微控制器系统功能的持续扩展，系统电源设计面对的任务也愈加复杂，不再是“提供几路不同的输出电源”这么简单。以SSD系统为例，完整的系统中包含主控、存储单元、接口电路以及其他外围模块，整个系统不仅对能效和功耗提出严格要求，同时还对各电源轨的上电、下电时序及状态切换存在明确需求。在这样的背景下，使用大量的分立DC/DC、LDO等电源管理芯片不仅对板级空间提出更高的要求，同时也会显著增加时序调试、平台复用和故障定位的复杂度。
在这一应用趋势下，高集成度、高性能的电源管理集成电路（PMIC）正逐渐成为SSD系统、FPGA系统等多电源轨复杂系统的优选方案。圣邦微电子推出的SGM260421即是面向此类应用需求的典型产品之一。圣邦微电子SGM260421是一款高集成、多通道、可编程PMIC。器件集成四路Buck与两路LDO，支持负载开关（Load Switch）复用。该芯片支持通过一次性编程（OTP）和I²C接口实现智能控制，具备丰富的功能特性，包括可配置时序、低功耗状态、动态电压调节、外部Rail协同、故障状态监测等，适用于SSD、FPGA、微控制器及个人导航设备等应用场景。
超高集成度，单颗芯片替代多种高性能电源角色
SGM260421采用符合环保理念的WLCSP-2.69×2.69-36B / FOCSP-3.35×3.1-34B / TBGA-3.35×3.1-34B绿色封装，并将四路Buck、两路LDO以及可复用的Load Switch能力与数字控制功能集成于一体，可大幅减少分立器件数量，为板级空间紧张、供电轨数量较多的设计提供更紧凑的实现路径。
表1 SGM260421各通道输出与模式配置
- 四路高性能Buck：SGM260421内置四路高性能同步Buck，均采用先进的ACOT控制，默认开关频率2MHz，提供出色的瞬态响应表现以及效率表现。Buck1/Buck2/Buck3/Buck4的最大输出电流分别为4A、3A、4A和2A，支持输出电压的宽范围、精细化调整，开关频率以及主动放电电阻等多参数可调，且支持主动配置为强制连续导通模式（FCCM），能够精准匹配客户的不同应用需求。
- 两路灵活LDO：SGM260421还同时内置两路LDO，均支持最高400mA输出，电压调整范围达到1.0V至2.7V，能够为后级负载提供低噪声电源。LDO通道同样支持软启时间以及主动放电电阻多档可调。
- 可配置通道模式：SGM260421的部分通道还提供可配置的其他模式，进一步提升系统灵活性。Buck1/LDO1/LDO2均可配置Load Switch，Buck4可配置为400mA LDO。设计人员可在不同项目中根据电流、噪声与板级空间需求调整电源组合，以适配更多样化的应用需求。
- 高性能系统表现：SGM260421具备超低功耗特性，所有通道开启状态下，正常模式系统空载静态电流低至140μA（TYP），低功耗模式系统空载静态电流可进一步降低至115μA（TYP），能够适用于功耗敏感的应用场景。同时系统效率表现优秀，以Buck1为例，3.3V to 2.5V@1A条件下通道效率可超过95%（实验室测试数据）。
精细管理与丰富配置，轻松解决复杂系统的电源管理难题
对于多电源复杂系统而言，各电源轨状态时序的切换直接影响整个系统的工作性能，甚至决定了系统是否能够正常工作。SGM260421针对该问题提供了极为精细的系统电源配置选项。
图1 SGM260421-001 VIN开机/关机波形（GPIO3 = Float）
- 精细灵活的时序配置：所有通道的启动延时、关机延时、唤醒延时、软启动时间等均可进行单独配置。多样化的配置选项使得SGM260421能够在大量实际系统中灵活适配。
表2 SGM260421时序参数可配置范围
- 多配置的快速切换：SGM260421支持通过代码矩阵索引（CMI）对参数进行预设，同时SGM260421的GPIO1/2/3/4/6具备上电检测功能，在芯片上电初始化过程中，芯片会锁存各个GPIO的电平状态，根据电平状态来选择不同的输出电压、时序配置，上电结束后，GPIO可自动切换为实际需要使用的功能。通过该功能，客户仅需调整上电阶段GPIO电平即可使用单颗芯片适配不同的应用平台，无需烧写其他CMI Code，适配性和灵活性大大增强，同时也有效降低物料管理的复杂性。
- SLEEP/DPSLP低功耗模式：除正常工作的Active状态外，芯片还支持进入SLEEP和DPSLP两种工作模式。进入SLEEP和DPSLP后，芯片各通道自动进入低功耗模式（LPM），在保证基本性能的前提下降低工作电流。客户可选择进入SLEEP/DPSLP模式后芯片的各通道状态，可选择保持开启、关闭或动态电压调整。该功能使得SGM260421能适配SSD等其他应用场景下的休眠状态需求。
- 动态电压调整（DVS）：Buck2与Buck3支持动态电压调节（DVS）。当系统进入SLEEP或DPSLP模式时，这两路Buck可以在保持开启的同时切换至预设的DVS_VSET电压，并按照可编程压摆率完成过渡（四档可调）。在一些应用场景下，系统进入休眠状态后仍需部分模块保持运行，但需要通过降低电压来压低功耗，SGM260421的DVS功能便为该问题提供了有效的解决方案。
图2 SGM260421-001 SLEEP模式进入/退出波形
图3 SGM260421-001 DPSLP模式进入/退出波形
- 丰富的GPIO功能：SGM260421提供最高3.4MHz的I²C接口，应用中可使用控制器进行实时配置更改。同时SGM260421提供最多八路可编程GPIO，GPIO可配置为nIRQ / SYSMON / SYSWARN / EXT_EN / PG / SLEEP / PWREN / PWRDIS / EN / I²C OUT等多种不同功能，实现向外部控制器上报芯片状态或允许外部信号控制芯片工作模式等多种功能，甚至可利用EXT_EN功能实现对外部分立器件的时序控制，进一步降低电源方案的设计难度。
- 宽范围应用：芯片输入电压范围为2.7V至5.5V，支持-40℃至+125℃工作温度范围，适用于消费电子与工业类应用环境。
多重保护与故障记录，为系统供电安全保驾护航
在SSD和工业处理器等许多系统应用中，电源系统的异常可能影响到数据完整性和系统稳定性。SGM260421对输入电压、输出电压、输出电流和芯片温度等关键参数进行持续监测，在异常出现时提供快速精准的保护，保证后级系统安全，并通过状态寄存器、故障标志和nIRQ/nRESET信号等向外部反馈异常，提供有效的故障诊断与调试手段。
- 输入过压/欠压保护、输出过压/欠压保护：持续监控输入电压、输出电压，当任意电压超出设定阈值范围时，快速触发保护，防止异常电压波动影响芯片以及后级其他关键负载。
- 过流与短路防护：Buck通道提供可配置的谷值电流限制（电流限四档可配置）；LDO通道也支持输出电流限制（电流限两档可配置）。电流限制保护能有效防止芯片在过载、短路等异常工况下发生损坏。可配置的电流限档位也使得芯片能够在不同的应用场景下灵活按需使用。
- 热关断：芯片对自身内部温度进行持续监测，当芯片温度高于设定阈值时，芯片触发热关断保护，防止芯片由于过热损坏。
图4 SGM260421-001 Buck1输出端短路与恢复波形
广泛的实用性，覆盖存储、微控制器、工业设备等复杂系统
- 固态硬盘（SSD）：为控制器、存储单元及外围模块提供多路供电，通过可编程时序、DVS和低功耗状态管理，支持系统在高速读写与待机之间灵活切换。
- FPGA与微控制器：利用多Rail输出、可调电压和外部供电协同能力，为核心电压、接口电压及外围模块建立集中化电源管理方案。
- 个人导航设备与工业类设备：依托2.7V至5.5V输入范围、宽温运行能力与可配置低功耗模式，为空间受限和环境条件复杂的设备提供稳定供电支持。
SGM260421典型应用
固态硬盘SSD系统是SGM260421的典型应用之一。SGM260421的多电源轨、低功耗模式、可编程时序等功能十分适配SSD系统中的各项关键需求。
下图为SGM260421在DRAMLESS SSD系统中的一种可能的实际应用电路。
图5 DRAMLESS SSD系统中SGM260421的一种实际应用电路
在DRAMLESS SSD系统中，SGM260421能够针对NAND Flash和主控芯片（Controller）的需求提供系统级电源解决方案。在所示的实际应用电路中，Buck1通道和Buck2通道分别为NAND Flash Array和NAND Flash I/O & Controller Flash I/O完成供电。NAND Flash是SSD系统中真正保存数据的非易失性存储器，是SSD系统的存储核心。通常按照电压域可将NAND Flash分为存储单元核心阵列（NAND Flash Array）和NAND接口电路（NAND Flash I/O）。NAND Flash Array是NAND内部用于数据存储、读取、编程和擦除的核心区域，通常由相对I/O电源更高的电源轨供电，如2.5V、3.3V等。在多颗NAND并行工作或进行Program/Erase操作时，该电源轨可能出现较明显的负载电流和瞬态需求，因此需要具备较强输出能力和良好瞬态响应的Buck通道供电。SGM260421的Buck1通道输出能力可达4A，Buck模式输出电压最高可达2.9V，且该通道针对大占空比应用进行了优化，能较好地适配NAND Flash Array这样的负载需求，对于采用2.9V及以下供电的系统，SGM260421 Buck1能够直接完成供电；而如果NAND Flash存储单元核心的电压需求更高，如3.3V，则可利用SGM260421 Buck1的Load Switch功能配合前级3.3V电源实现灵活供电。
NAND Flash I/O & Controller Flash I/O是NAND和主控芯片之间通信的接口电路，负责把数据、命令、地址在NAND Flash和主控之间进行传输。I/O口通常需求较低等级的电压，例如1.2V，用于降低I/O信号摆幅和动态功耗，减小高速接口切换带来的噪声和EMI，同时适配主控芯片的I/O电平要求。
SGM260421的Buck3通道在DRAMLESS SSD系统中可被配置为主控芯片的核心Core供电。该负载的主要特点是低电压、大电流，目前主控芯片核心供电常见电压大多低于1V，在执行读写等高功耗任务时，主控芯片核心的负载可能达到2A至3A。SGM260421的Buck3通道具备最高4A输出能力，调压范围最低可至0.5V，且具备DVS功能，在系统休眠模式下可降低主控核心电压以降低功耗。
Buck4通道应用中可被设计为PHY（物理层接口电路）的相关供电。在SSD系统中，PHY通常被集成在主控内部，其功能是将主控核心的数字逻辑信号转换为能够在系统中传输的电信号，是一种数模混合的接口模块。PHY内部包含大量高速数模混合信号电路，例如TX发送端、RX接收端、时钟、参考、校准、补偿等等，由于不同模块的电压等级、负载需求以及对纹波等需求不同，PHY通常需要多种不同类型的电源，例如高压模拟电源、低压模拟电源、数字电源、模拟终端电源等，电压等级通常覆盖0.8V至1.8V甚至更宽范围，具体取决于PHY的IP架构和工艺节点。SGM260421的Buck4通道支持0.8V至2V调压范围，最大输出能力2A，同时Buck4还支持配置为400mA LDO模式，实际应用中可根据PHY内部设计来完成适配，选择为PHY的数字、模拟等核心模块提供稳定电源。
SGM260421的两个LDO通道可用于主控内部的通用电源以及模拟电源，主要负责为一些辅助电路完成供电，如低功耗管理、低速接口电路、温度检测等，这些电路通常不直接承担高速数据收发、数字逻辑等高功耗任务，但同时需要较高的稳定性和较低的纹波，以保证系统关键模块的正常运行，因此可采用LDO通道实现需求。
下图为实际应用条件下，系统时序的一种设计方案。
图6 DRAMLESS SSD系统中SGM260421的实际应用下的一种系统时序设计
从系统上电时序来看，首先上电通道为LDO1/LDO2，LDO1/LDO2需要首先上电激活系统中的各类基本的辅助电路，建立正确的系统状态。随后Buck3上电，即主控芯片核心上电，在辅助电源已建立的情况下，主控核心可以在此基础上正常进入工作状态，有序执行初始化、电源管理、外设控制等动作。主控核心具备控制能力后，启动Buck4（PHY电源），这部分通常需要主控核心来对PHY进行复位、配置等控制，所以需要在主控核心稳定后再上电。主控及PHY准备就绪后，开始启动NAND相关电源。尽管一些NAND芯片可能对存储单元核心供电和NAND I/O供电的上电时序没有严格要求，但实际上为了防止系统接口异常出现问题，仍然可借助SGM260421的时序控制功能完成NAND上电控制。首先启动NAND Flash Array（Buck1），保证NAND存储单元核心的上电过程处于主控的有效控制下。最后，启动NAND Flash I/O（Buck2），确保NAND存储单元核心电源正确建立后再使能I/O电源。
主控芯片可通过IO使SGM260421进入SLEEP或DPSLP状态，从而降低功耗。进入SLEEP模式时，系统关闭 PHY部分电源（Buck4），以降低PHY相关功耗；其余通道保持开启，保持系统关键状态信息，从而支持系统快速恢复至正常工作状态。而在进入DPSLP模式时，系统会进一步关闭NAND Flash Array（Buck1）和NAND Flash I/O（Buck2）两路电源，同时使主控核心电源Buck3通过DVS降至预设低功耗电压，此时系统PHY电源关闭，NAND停止供电，主控电压降低，进入深度睡眠模式，功耗大大降低，适配整个系统在休眠状态下的低功耗需求。
PWRDIS功能给主控提供了一个硬件引脚来关闭PMIC输出。在系统关机时，首先关闭PHY电源（Buck4）、以及NAND相关电源（Buck1和Buck2），随后保留主控核心电源（Buck3）以及辅助电源（LDO1、LDO2）一段时间，确保系统完成复位、总线释放、状态管理等工作后，再统一关闭。
以上仅为使用SGM260421在SSD系统中的一种可能的实际应用方式。实际上，得益于丰富的可配置功能，SGM260421可以在不同的SSD系统乃至其他多电源轨系统中进行十分灵活的应用，各路通道可根据系统需求采用不同的配置，系统的整体时序也可能发生变化。随着SSD、FPGA、微控制器、个人设备及工业控制等应用对小型化、高效率和智能化电源管理需求的持续提升，SGM260421可为相关多电源轨平台提供更具集成度和扩展性的电源实现路径。
文章来源：圣邦微电子