電源管理的基礎(chǔ)知識

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2022-03-17 07:36:20 2

在本章中，您將學習電源管理的基礎(chǔ)知識，包括不同應(yīng)用所需的電路設(shè)計類型。您還會了解到什么是電源管理集成電路（PMIC），以及當今的多功能 PMIC 為何能夠替代各種類型的穩(wěn)壓器。

掌握電源基礎(chǔ)知識

某個設(shè)備或電子系統(tǒng)所需要的 DC 電源管理子系統(tǒng)的類型取決于該設(shè)備或系統(tǒng)的電源?？赡艿碾娫窗?AC、電池、DC 以及超低功耗 DC（能量采集）。絕大多數(shù)由電池供電的電子產(chǎn)品使用鋰離子（Li-ion）或鋰聚合物（LiPo）電池。一個電池組可能包含幾塊電池，通過串聯(lián)或者并聯(lián)方式連接起來。圖 1-1 是一些示例。

以下是每種連接配置下的電壓和電流性能：

串聯(lián)電池可提高電池組電壓，同時提高整個電池組容量。
并聯(lián)電池不能提高電池組電壓，但會提高整個電池組的電流控制能力和電流容量。
串并聯(lián)電池可同時提高電壓、電流控制能力、電流容量。

在一些由電池供電的應(yīng)用中，系統(tǒng)組件可能無法直接使用電池電力。這些組件可能需要一個更低或者更高的電壓才能正常運行。在充放電過程中，電池的電壓也會發(fā)生變化。DC-DC 轉(zhuǎn)換器可用來監(jiān)控這種未調(diào)節(jié)的電池輸入電壓并使其保持穩(wěn)定。這些轉(zhuǎn)換器通常被稱為穩(wěn)壓器，因為它們可以根據(jù)需要提高、降低或者調(diào)節(jié)電壓（如圖 1-2 所示），然后把調(diào)整后的電壓提供給系統(tǒng)子組件使用。

DC-DC 穩(wěn)壓器包括隔離型和非隔離型，取決于輸入接地是否與輸出接地相連：

隔離轉(zhuǎn)換器用于對輸入和輸出電壓進行隔離，一般采用變壓器或電容式電力傳輸。
非隔離轉(zhuǎn)換器有一條連接輸入接地和輸出接地的 DC 通路，并共享輸入和輸出接地連接。

DC-DC 穩(wěn)壓器分類

根據(jù)所用的電壓轉(zhuǎn)換方式，DC 穩(wěn)壓器共分兩類：線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器。這是兩種基本穩(wěn)壓器類型，用于相機、手機、可穿戴設(shè)備以及計算機等電子設(shè)備。設(shè)計工程師將基于輸入電壓、輸出電壓以及所需的電流負荷，為其系統(tǒng)設(shè)計選擇適當?shù)?DC 穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器可把輸入電壓（V_IN）轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓（V_OUT），使用一個線性組件（即電阻型組件）來調(diào)節(jié)輸出電壓 V_OUT。線性穩(wěn)壓器的一般特性：

耗散電能。
用于低電流和低電源軌。
效能不高。
用于低噪音電源。
低波紋和低噪音特性使其適合靈敏的模擬集成電路，如傳感器、鎖相環(huán)路等。

對于線性穩(wěn)壓器，一種重要的類型是低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器。在 V_IN和 V_OUT 相差很小時，LDO。能持續(xù)輸出穩(wěn)定的 V_OUT。

開關(guān)式穩(wěn)壓器

開關(guān)式穩(wěn)壓器通過一個開關(guān)元件轉(zhuǎn)換 V_IN 到不同的 V_OUT，并使用外部電感和電容來穩(wěn)定輸出電壓 V_OUT。開關(guān)式穩(wěn)壓器通常效率更高，支持比線性穩(wěn)壓器更高的輸出電流。但輸出被調(diào)節(jié)后仍有波紋或開關(guān)噪聲，即使經(jīng)濾波后仍然存在。

按照輸入與輸出電壓間的關(guān)系，開關(guān)式穩(wěn)壓器分類如下：

降壓型開關(guān)式穩(wěn)壓器：V_OUT低于 V_IN
升壓型開關(guān)式穩(wěn)壓器：V_OUT高于 V_IN
降壓-升壓型開關(guān)式穩(wěn)壓器：V_OUT可變，可低于、高于或等于V_IN

以上是設(shè)計工程師常用的四種穩(wěn)壓器拓撲?LDO 以及三種開關(guān)式穩(wěn)壓器（降壓型、升壓型、降壓 - 升壓型）。在下面幾節(jié)，我們將詳細介紹這四種穩(wěn)壓器。

LDO 穩(wěn)壓器

低壓差線性穩(wěn)壓器是一種 DC 線性穩(wěn)壓器，可以在供電電壓和輸出電壓非常接近時調(diào)節(jié)輸出電壓水平。對于 LDO，跌落電壓應(yīng)盡可能最小，這樣可以盡量減少電量耗散，最大限度地提高系統(tǒng)效率（如圖 1-3 所示）。

與開關(guān)式穩(wěn)壓器相比，LDO 通常具有更高的電源供應(yīng)抑制比（PSRR），意味著 LDO 可以生成低噪聲輸出電壓。LDO 一般不產(chǎn)生任何波紋，在降低輸入電源噪聲或波紋方面非常有用。LDO 待機電流消耗低，這使得它成為便攜式和無線應(yīng)用的*解決方案。

降壓型轉(zhuǎn)換器

這里 Buck 的意思是“降低”或“減弱”。降壓轉(zhuǎn)換器是一個減弱型轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器，可以高效輸出低于 V_IN 的 V_OUT。降壓型電路包含電感、開關(guān)場效應(yīng)晶體管（FET）或二極管、電容以及具有開關(guān)控制電路的誤差放大器（如圖 1-4 所示）。降壓轉(zhuǎn)換器會改變金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的開啟時間，然后把電能應(yīng)用到感應(yīng)器上。降壓轉(zhuǎn)換器有很高的效率，因為 MOSFET 或者完全開啟，或者完全關(guān)閉。在開和關(guān)（阻抗）兩種狀態(tài)之間，降壓轉(zhuǎn)換器不工作，這一點與線性穩(wěn)壓器不同。

降壓轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生切換波形，波形為脈寬調(diào)制（PWM）模式或脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式，然后使用外部電感和電容濾波組件進行濾波，最后生成平滑的輸出電壓 V_OUT。這種電壓轉(zhuǎn)換方式效率很高，可延長電池壽命、降低系統(tǒng)發(fā)熱、減小產(chǎn)品尺寸。

降壓型轉(zhuǎn)換器用在很多通過 USB 取電的應(yīng)用以及其他計算機外設(shè)中。同時也用在智能手機、平板電腦、移動設(shè)備以及其他很多電子設(shè)備中。

升壓型轉(zhuǎn)換器

Boost 在這里的意思是“增強”。升壓轉(zhuǎn)換器把 V_IN 升高，產(chǎn)生 V_OUT。例如，當您想把 3.3 伏 DC 輸入電壓轉(zhuǎn)換為 5.0 伏的輸出電壓時 V_OUT 時，升壓轉(zhuǎn)換器會很方便。這種升壓操作常見于很多鋰離子或鋰聚合物電池應(yīng)用。

升壓電路與降壓電路包含同樣的組件（感應(yīng)器、開關(guān)場效應(yīng)晶體管 [FET]或二極管、電容器、帶開關(guān)控制電路的誤差放大器），但是具有不同的連接方式。升壓電路同樣通過控制 MOSFET 的開啟時間把電能應(yīng)用到感應(yīng)器來工作。（如圖 1-5 所示）。

降壓 - 升壓型轉(zhuǎn)換器

降壓 - 升壓型轉(zhuǎn)換器是一個開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，在單一穩(wěn)壓器中結(jié)合了降壓和升壓兩種方式。它可以處理大范圍的輸入和輸出電壓?？刂齐娐氛{(diào)節(jié)MOSFET 的開關(guān)時間，降低或提高輸入電壓，根據(jù)需要產(chǎn)生 V_OUT（如圖1-6 所示）。

除圖 1-6 所示的標準降壓 - 升壓型之外，還存在其他類型的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，比如 Sepic 型、Cuk 型以及 Zeta 型。這些轉(zhuǎn)換器都可以調(diào)節(jié)V_OUT，使之低于、高于或等于 V_IN。

電源管理集成電路介紹

PMIC 是用于電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、電池管理的集成電路。它們可以處理電源系統(tǒng)時序，為多種負載供電，并可以在過壓、欠壓、過流、熱故障等情況下提供保護功能。

單個 PMIC 可以管理多個外部電源，把不同的系統(tǒng)需求映射到適當?shù)姆€(wěn)壓器輸出電壓上。它們也可以用在各種處理器、系統(tǒng)控制器以及最終應(yīng)用上，只需要更改相關(guān)寄存器設(shè)置或固件，而不需要重新設(shè)計新的集成電路（IC）。

因為當前的幾種趨勢，PMIC 市場正在飛速發(fā)展。一種趨勢是消費者對無線移動的追逐，帶來了對于小型、電池驅(qū)動設(shè)備的大量需求，隨之則需要更多高集成度電源管理解決方案，如圖 1-7 所示。該圖顯示了 Qorvo 的PMIC 解決方案如何大幅度降低組件數(shù)量和方案的整體大小。

同時，消費者和廠商對節(jié)能環(huán)保、減少碳排放類產(chǎn)品的需求也日益增長。全球的“綠色”潮流增加了對配備高效電源管理的電子產(chǎn)品的需求，讓電源管理成了一種非常重要并大受歡迎的特性。

一體式 PMIC

當今的 PMIC 之所以被廣泛使用，一個重要原因是它們可以滿足應(yīng)用中的多種甚至全部電壓調(diào)整功能（如圖 1-8 所示）。這些多功能 PMIC 可通過固件來定制，從而適用于多種不同應(yīng)用，消除硬件電路更改的高成本。上述特性讓它們可以在不同應(yīng)用中平滑轉(zhuǎn)換，從而縮短產(chǎn)品上市時間。