电源管理的基础知识

2021-03-17 10:02:44 30


在本章中,您将学习电源管理的基础知识,包括不同应用所需的电路设计类型。您还会了解到什么是电源管理集成电路(PMIC),以及当今的多功能 PMIC 为何能够替代各种类型的稳压器。



掌握电源基础知识


某个设备或电子系统所需要的 DC 电源管理子系统的类型取决于该设备或系统的电源。可能的电源包括 AC、电池、DC 以及超低功耗 DC(能量采集)。绝大多数由电池供电的电子产品使用锂离子(Li-ion)或锂聚合物(LiPo)电池。一个电池组可能包含几块电池,通过串联或者并联方式连接起来。图 1-1 是一些示例。


以下是每种连接配置下的电压和电流性能:


  • 串联电池可提高电池组电压,同时提高整个电池组容量。

  • 并联电池不能提高电池组电压,但会提高整个电池组的电流控制能力和电流容量。

  • 串并联电池可同时提高电压、电流控制能力、电流容量。




在一些由电池供电的应用中,系统组件可能无法直接使用电池电力。这些组件可能需要一个更低或者更高的电压才能正常运行。在充放电过程中,电池的电压也会发生变化。DC-DC 转换器可用来监控这种未调节的电池输入电压并使其保持稳定。这些转换器通常被称为稳压器,因为它们可以根据需要提高、降低或者调节电压(如图 1-2 所示),然后把调整后的电压提供给系统子组件使用。


DC-DC 稳压器包括隔离型和非隔离型,取决于输入接地是否与输出接地相


  • 隔离转换器用于对输入和输出电压进行隔离,一般采用变压器或电容式电力传输。

  • 非隔离转换器有一条连接输入接地和输出接地的 DC 通路,并共享输入和输出接地连接。





DC-DC 稳压器分类


根据所用的电压转换方式,DC 稳压器共分两类:线性稳压器和开关式稳压器。这是两种基本稳压器类型,用于相机、手机、可穿戴设备以及计算机等电子设备。设计工程师将基于输入电压、输出电压以及所需的电流负荷,为其系统设计选择适当的 DC 稳压器。



线性稳压器


线性稳压器可把输入电压(VIN)转换为不同的输出电压(VOUT),使用一个线性组件(即电阻型组件)来调节输出电压 VOUT。线性稳压器的一般特性:


  • 耗散电能。

  • 用于低电流和低电源轨。

  • 效能不高。

  • 用于低噪音电源。

  • 低波纹和低噪音特性使其适合灵敏的模拟集成电路,如传感器、锁相环路等。


对于线性稳压器,一种重要的类型是低压差(LDO)线性稳压器。在 VIN和 VOUT 相差很小时,LDO。能持续输出稳定的 VOUT



开关式稳压器


开关式稳压器通过一个开关元件转换 VIN 到不同的 VOUT,并使用外部电感和电容来稳定输出电压 VOUT。开关式稳压器通常效率更高,支持比线性稳压器更高的输出电流。但输出被调节后仍有波纹或开关噪声,即使经滤波后仍然存在。


按照输入与输出电压间的关系,开关式稳压器分类如下:


  • 降压型开关式稳压器:VOUT 低于 VIN

  • 升压型开关式稳压器:VOUT 高于 VIN

  • 降压-升压型开关式稳压器:VOUT 可变,可低于、高于或等于VIN


以上是设计工程师常用的四种稳压器拓扑⸺LDO 以及三种开关式稳压器(降压型、升压型、降压 - 升压型)。在下面几节,我们将详细介绍这四种稳压器。



LDO 稳压器


低压差线性稳压器是一种 DC 线性稳压器,可以在供电电压和输出电压非常接近时调节输出电压水平。对于 LDO,跌落电压应尽可能最小,这样可以尽量减少电量耗散,最大限度地提高系统效率(如图 1-3 所示)。




与开关式稳压器相比,LDO 通常具有更高的电源供应抑制比(PSRR),意味着 LDO 可以生成低噪声输出电压。LDO 一般不产生任何波纹,在降低输入电源噪声或波纹方面非常有用。LDO 待机电流消耗低,这使得它成为便携式和无线应用的绝佳解决方案。



降压型转换器


这里 Buck 的意思是“降低”或“减弱”。降压转换器是一个减弱型转换稳压器,可以高效输出低于 VIN 的 VOUT。降压型电路包含电感、开关场效应晶体管(FET)或二极管、电容以及具有开关控制电路的误差放大器(如图 1-4 所示)。降压转换器会改变金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的开启时间,然后把电能应用到感应器上。降压转换器有很高的效率,因为 MOSFET 或者完全开启,或者完全关闭。在开和关(阻抗)两种状态之间,降压转换器不工作,这一点与线性稳压器不同。




降压转换器会产生切换波形,波形为脉宽调制(PWM)模式或脉冲频率调制(PFM)模式,然后使用外部电感和电容滤波组件进行滤波,最后生成平滑的输出电压 VOUT。这种电压转换方式效率很高,可延长电池寿命、降低系统发热、减小产品尺寸。


降压型转换器用在很多通过 USB 取电的应用以及其他计算机外设中。同时也用在智能手机、平板电脑、移动设备以及其他很多电子设备中。



升压型转换器


Boost 在这里的意思是“增强”。升压转换器把 VIN 升高,产生 VOUT。例如,当您想把 3.3 伏 DC 输入电压转换为 5.0 伏的输出电压时 VOUT 时,升压转换器会很方便。这种升压操作常见于很多锂离子或锂聚合物电池应用。


升压电路与降压电路包含同样的组件(感应器、开关场效应晶体管 [FET]或二极管、电容器、带开关控制电路的误差放大器),但是具有不同的连接方式。升压电路同样通过控制 MOSFET 的开启时间把电能应用到感应器来工作。(如图 1-5 所示)。





降压 - 升压型转换器


降压 - 升压型转换器是一个开关模式转换器,在单一稳压器中结合了降压和升压两种方式。它可以处理大范围的输入和输出电压。控制电路调节MOSFET 的开关时间,降低或提高输入电压,根据需要产生 VOUT(如图1-6 所示)。




除图 1-6 所示的标准降压 - 升压型之外,还存在其他类型的降压 - 升压转换器,比如 Sepic 型、Cuk 型以及 Zeta 型。这些转换器都可以调节VOUT,使之低于、高于或等于 VIN


电源管理集成电路介绍


PMIC 是用于电压转换、稳压、电池管理的集成电路。它们可以处理电源系统时序,为多种负载供电,并可以在过压、欠压、过流、热故障等情况下提供保护功能。


单个 PMIC 可以管理多个外部电源,把不同的系统需求映射到适当的稳压器输出电压上。它们也可以用在各种处理器、系统控制器以及最终应用上,只需要更改相关寄存器设置或固件,而不需要重新设计新的集成电路(IC)。


因为当前的几种趋势,PMIC 市场正在飞速发展。一种趋势是消费者对无线移动的追逐,带来了对于小型、电池驱动设备的大量需求,随之则需要更多高集成度电源管理解决方案,如图 1-7 所示。该图显示了 Qorvo 的PMIC 解决方案如何大幅度降低组件数量和方案的整体大小。




同时,消费者和厂商对节能环保、减少碳排放类产品的需求也日益增长。全球的“绿色”潮流增加了对配备高效电源管理的电子产品的需求,让电源管理成了一种非常重要并大受欢迎的特性。



一体式 PMIC


当今的 PMIC 之所以被广泛使用,一个重要原因是它们可以满足应用中的多种甚至全部电压调整功能(如图 1-8 所示)。这些多功能 PMIC 可通过固件来定制,从而适用于多种不同应用,消除硬件电路更改的高成本。上述特性让它们可以在不同应用中平滑转换,从而缩短产品上市时间。




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