【導(dǎo)讀】電源管理通過一定的電路拓?fù)洌瑢⒉煌碾娫摧斎朕D(zhuǎn)換成滿足系統(tǒng)工作需要的輸出電壓。電源直接影響著系統(tǒng)性能，而決定電源性能的關(guān)鍵元件是電源管理芯片（Power Management Integrated Circuits，PMIC）。
電源管理通過一定的電路拓?fù)?，將不同的電源輸入轉(zhuǎn)換成滿足系統(tǒng)工作需要的輸出電壓。電源直接影響著系統(tǒng)性能，而決定電源性能的關(guān)鍵元件是電源管理芯片（Power Management Integrated Circuits，PMIC）。
PMIC最大的應(yīng)用領(lǐng)域是電子消費(fèi)產(chǎn)品，電信、工控設(shè)備、汽車終端等領(lǐng)域也都對PMIC有持續(xù)的需求。所有電子設(shè)備都有電源，但是不同的系統(tǒng)對電源的要求不同。為了發(fā)揮電子系統(tǒng)的性能，需要選擇適合的電源管理方式。
1. 電源轉(zhuǎn)換的基本需知
選擇適當(dāng)?shù)碾娫垂芾碓Q于該應(yīng)用的輸入和輸出條件。
電源輸入是交流 (AC) 或直流 (DC)？
輸入電壓是高于或低于所需的輸出電壓？
所需的負(fù)載電流是多少？
負(fù)載是否對噪聲敏感，或需恒流（如LED的應(yīng)用），又或是變化較大的電流？
各應(yīng)用基于其特殊的需求，會選擇不同電源轉(zhuǎn)換元件。下圖顯示數(shù)個應(yīng)用實例和其典型常用的電源轉(zhuǎn)換元件；
圖 1. 電源管理的應(yīng)用實例
從上述實例可清楚知道，欲得最佳元件選擇就必須考慮各種參數(shù)。以下將會詳細(xì)介紹這些參數(shù)。
2. 電源管理 IC 的選用標(biāo)準(zhǔn)
在設(shè)計時，首先考慮的是輸入到輸出的電壓差 (VIN - VOUT)。在選擇最佳的電源解決方案時，該應(yīng)用的特殊需求，如效率、 散熱限制、 噪聲、 復(fù)雜度和成本等都必須考慮。
表1. 選擇低壓差穩(wěn)壓器、 降壓、升壓、升-降壓轉(zhuǎn)換器的基本標(biāo)準(zhǔn)
3. 檢視主要電源架構(gòu)及電源管理元件
當(dāng) VOUT 小于 VIN，所需輸出電流和 VIN / VOUT 比是考慮選擇低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 或 降壓轉(zhuǎn)換器 (Buck)的重要因素。
低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 非常適合需要低噪聲、低電流及低 VIN / VOUT 比之應(yīng)用。其基本電路圖可見圖 2。低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 藉由線性方式控制導(dǎo)通元件的導(dǎo)通，以調(diào)節(jié)輸出電壓。線性穩(wěn)壓器提供準(zhǔn)確且無噪聲的輸出電壓，能快速因應(yīng)輸出端的負(fù)載變化。然而，線性調(diào)節(jié)意謂著輸入輸出的電壓差乘上平均負(fù)載電流就是線性穩(wěn)壓器導(dǎo)通元件所消耗的功率，即Pd = (VIN - VOUT) * ILOAD 。高VIN / VOUT 比與高負(fù)載電流都會導(dǎo)致過多額外的功率損耗。
圖 2. 低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 基本電路示意圖
功率消耗較高的低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO) 需要較大的封裝尺寸，而這會增加成本、PCB 板空間和熱能消耗。所以當(dāng) LDO 功耗超過 ~0.8W 時，較明智的作法是改采降壓轉(zhuǎn)換器作為替代方案。
在選擇 LDO 時，須考慮輸入和輸出電壓的范圍、LDO 的電流大小和封裝的散熱能力。LDO 電壓差是指在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，VIN - VOUT 的最小電壓。在微功率應(yīng)用中，如需靠單一電池供電很多年之應(yīng)用，LDO 靜態(tài)電流 IQ 必須夠低，以減少電池不必要的消耗；而這類應(yīng)用就需要特殊的、具低靜態(tài)電流 IQ 之低壓差線性穩(wěn)壓器 (LDO)。
降壓轉(zhuǎn)換器是一種切換式降壓轉(zhuǎn)換器，它可在較高的 VIN / VOUT 比和較高的負(fù)載電流之下，提供高效率和高彈性的輸出。它的基本電路如圖 3 所示。大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器包含一個內(nèi)部高側(cè) MOSFET 和一個低側(cè)作為同步整流器的 MOSFET，借著內(nèi)部占空比控制電路來控制兩者的交替開、關(guān) (ON/OFF) 以調(diào)節(jié)平均輸出電壓。切換造成的噪聲可由外部 LC 濾波器來過濾。
圖 3. 轉(zhuǎn)換器基本電路示意圖
由于兩個 MOSFET 是交替開關(guān) (ON 或 OFF)，所以功率消耗非常??；藉由控制占空比，可以產(chǎn)生較大 VIN / VOUT 比的輸出。內(nèi)部 MOSFET 的導(dǎo)通電阻 RDS(ON) 決定了降壓轉(zhuǎn)換器的電流處理能力，而 MOSFET 的額定電壓決定最大輸入電壓。開關(guān)切換頻率與外部 LC 濾波器元件則共同決定輸出端的紋波電壓大??；較高開關(guān)切換頻率之降壓轉(zhuǎn)換器所用之濾波元件可較小，但開關(guān)切換造成的功耗則會增加。具脈沖跳躍模式 (PSM) 的降壓轉(zhuǎn)換器會在輕載時降低其開關(guān)切換頻率，從而提高輕載時的效率，此特性對需低功耗待機(jī)模式之應(yīng)用是非常重要的。
升壓轉(zhuǎn)換器是用于 VOUT 高于 VIN 之應(yīng)用?；倦娐穲D如圖 4 所示。升壓轉(zhuǎn)換器將輸入電壓升至較高的輸出電壓。其操作原理是經(jīng)由內(nèi)部 MOSFET 對電感器充電，而當(dāng) MOSFET 斷路時，透過至負(fù)載端之整流器將電感放電。電感充電轉(zhuǎn)為放電會使電感電壓變?yōu)榉聪?，從而升高輸出電壓使之高?VIN。MOSFET 開關(guān)的 ON/OFF 占空比將決定升壓比 VOUT / VIN，并且反饋回路也控制占空比以維持穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電容是緩沖元件，用來減小輸出電壓連波。
MOSFET 電流絕對最大額定值和升壓比一起決定最大負(fù)載電流，而 MOSFET 電壓絕對最大額定值決定最大輸出電壓。有些升壓轉(zhuǎn)換器則會將整流器以 MOSFET 整合于內(nèi)部，達(dá)到同步整流之功效。
圖 4. 升壓轉(zhuǎn)換器基本電路示意圖
升-降壓轉(zhuǎn)換器用于輸入電壓可能會改變，可低于或高于輸出電壓之應(yīng)用。如圖 5 所示的升-降壓轉(zhuǎn)換器中，當(dāng) VIN 高于 VOUT 時，四個內(nèi)部的 MOSFET 開關(guān)將自動配置成降壓轉(zhuǎn)換器，而當(dāng) VIN 低于 VOUT 時則轉(zhuǎn)為升壓操作模式。這使得升-降壓轉(zhuǎn)換器非常適合以電池作為供電之應(yīng)用，特別是當(dāng)電池電壓低于調(diào)節(jié)輸出電壓值時，得以延長電池使用時間。因為四開關(guān)升-降壓轉(zhuǎn)換器是完全同步的操作模式，故可達(dá)較高的效率。降壓模式時的輸出電流能力比升壓模式時為高；因為在相同的負(fù)載條件下，升壓模式和降壓模式相比之下，前者需要較高的開關(guān)電流。
MOSFET的電壓絕對最大額定值將決定最大輸入和輸出電壓范圍。在輸出電壓不需要參考接地的應(yīng)用中，如LED驅(qū)動器，可使用只有單開關(guān)和整流器的升-降壓轉(zhuǎn)換器。而在大多數(shù)情況下，輸出電壓是參考到VIN。
圖 5. 有四個內(nèi)部開關(guān)的升-降壓轉(zhuǎn)換器
多數(shù)的電源管理元件都是使用上述四個轉(zhuǎn)換器架構(gòu)其中一種。
采用內(nèi)部或外部的MOSFET？
需要非常大開關(guān)電流（如 >10A）的應(yīng)用，通常都會使用外部的開關(guān) MOSFET，并且配合使用降壓控制器或升壓控制器。這類配置方式通常都是用在輸出功率超過 25W 的功率轉(zhuǎn)換器。
輸出電流 >25A 的降壓應(yīng)用多使用多相位降壓控制器，即不同的相位階段分享同一電流。具非常高切換電壓的電路，例如從 AC 線電壓供電的應(yīng)用電路中，通常會采用的控制器是使用外部、耐高壓的MOSFET。
LED 驅(qū)動器調(diào)節(jié)的是穩(wěn)定輸出電流，而不是穩(wěn)定輸出電壓，因為LED特定的光輸出是完全由電流來決定。大多數(shù)高亮度LED 的正向電壓是 3?3.5V；而根據(jù)輸入電壓和 LED 串中 LED 的數(shù)量，轉(zhuǎn)換器可以是降壓，升壓或升-降壓型。
LCD 背光系統(tǒng)須驅(qū)動大量的 LED，因此會使用到多串型 LED 驅(qū)動器。某些離線式 LED 驅(qū)動器則會使用線性 LED 驅(qū)動器的架構(gòu)。大多數(shù) LED 驅(qū)動器還包括調(diào)光功能，以便能夠控制輸出電流，并進(jìn)而控制 LED 的光輸出。
圖6. LED 驅(qū)動器基本電路
保護(hù)功能
安全性和可靠性是電源供應(yīng)器需特別注意的。大多數(shù)轉(zhuǎn)換器都包括保護(hù)功能，使其能在負(fù)載過大或工作溫度過高的情況下，將電源供應(yīng)器安全地關(guān)閉。
功率開關(guān)可用來控制電源軌是否接通于電路。其基本電路如圖 7 所示。
圖7. 搭配不同保護(hù)功能的功率開關(guān)
供應(yīng)器的監(jiān)控 IC 會監(jiān)控電源過壓或欠壓的情形。圖 8 顯示一個典型的電源監(jiān)控器偵測電源欠壓的情形。
圖8. 電源監(jiān)控 IC 偵測電源欠壓狀態(tài)
電池充電器 IC 可于應(yīng)用中針對特定的電池提供正確的充電電流和電壓。
圖9. 線性電池充電器之基本電路
AC / DC 反激式控制器用于需將 AC 線電壓轉(zhuǎn)為一個穩(wěn)定、隔離的電源電壓之應(yīng)用。圖 10 所示為一個基本的反激式電源。
圖10. 基本 AC/DC 反激式電源
電源管理的趨勢
低功耗藍(lán)牙、Wi-Fi 6和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)為低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來了連接性。但是，電源管理不僅僅需要高效芯片，來自電池或電源的電能也必須進(jìn)行調(diào)節(jié)和分配，如果設(shè)備由可充電電池供電，則有時需要充電。這意味著，無論無線芯片中的處理器、無線電和內(nèi)存多么高效，如果電源管理系統(tǒng)沒有進(jìn)行足夠的優(yōu)化，都會影響電池壽命。
構(gòu)建高效的電源管理系統(tǒng)本來已經(jīng)是一項艱巨任務(wù)，而同時要實現(xiàn)緊湊型設(shè)計則更具挑戰(zhàn)性。許多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的空間是有限的，但傳統(tǒng)的電源管理解決方案通常由多個芯片組成，例如穩(wěn)壓器、電池充電器、電量計、外部看門狗和硬復(fù)位裝置，這些都會占用寶貴的空間。
Nordic通過nPM系列電源管理IC?(PMIC)解決了電源管理在效率和空間兩個方面的難題。該系列最新推出的 nPM1300具有高精度電量計，可準(zhǔn)確測量電池剩余電量，延長了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命。
文章來源：電子工程專輯
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