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電源管理設(shè)計(jì)指南:架構(gòu),IC選用標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)布時(shí)間:2024-04-17 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】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)。


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)。


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(duì)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(duì)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(duì)噪聲敏感,或需恒流(如LED的應(yīng)用),又或是變化較大的電流?


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各應(yīng)用基于其特殊的需求,會(huì)選擇不同電源轉(zhuǎn)換元件。下圖顯示數(shù)個(gè)應(yīng)用實(shí)例和其典型常用的電源轉(zhuǎn)換元件;


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圖 1. 電源管理的應(yīng)用實(shí)例


從上述實(shí)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(huì)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(jì)時(shí),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(shí),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)


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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(huì)導(dǎo)致過多額外的功率損耗。


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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(huì)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(shí),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(shí),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(gè)內(nèi)部高側(cè) MOSFET 和一個(gè)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。


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圖 3. 轉(zhuǎn)換器基本電路示意圖


由于兩個(gè) MOSFET 是交替開關(guān) (ON 或 OFF),所以功率消耗非常小;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(huì)增加。具脈沖跳躍模式 (PSM) 的降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)在輕載時(shí)降低其開關(guān)切換頻率,從而提高輕載時(shí)的效率,此特性對(duì)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(duì)電感器充電,而當(dāng) MOSFET 斷路時(shí),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(huì)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(duì)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(duì)最大額定值決定最大輸出電壓。有些升壓轉(zhuǎn)換器則會(huì)將整流器以 MOSFET 整合于內(nèi)部,達(dá)到同步整流之功效。


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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(huì)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(shí),四個(gè)內(nèi)部的 MOSFET 開關(guān)將自動(dòng)配置成降壓轉(zhuǎn)換器,而當(dāng) VIN 低于 VOUT 時(shí)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(shí),得以延長電池使用時(shí)間。因?yàn)樗拈_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(shí)的輸出電流能力比升壓模式時(shí)為高;因?yàn)樵谙嗤呢?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(duì)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(dòng)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。


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圖 5. 有四個(gè)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(gè)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(huì)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(huì)采用的控制器是使用外部、耐高壓的MOSFET。


LED 驅(qū)動(dòng)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?yàn)長ED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(dòng)大量的 LED,因此會(huì)使用到多串型 LED 驅(qū)動(dòng)器。某些離線式 LED 驅(qū)動(dòng)器則會(huì)使用線性 LED 驅(qū)動(dòng)器的架構(gòu)。大多數(shù) LED 驅(qū)動(dòng)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。


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圖6. LED 驅(qū)動(dòng)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。


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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(huì)監(jiān)控電源過壓或欠壓的情形。圖 8 顯示一個(gè)典型的電源監(jiān)控器偵測電源欠壓的情形。


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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(duì)特定的電池提供正確的充電電流和電壓。


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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(gè)穩(wěn)定、隔離的電源電壓之應(yīng)用。圖 10 所示為一個(gè)基本的反激式電源。


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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(shí)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(huì)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(xiàng)艱巨任務(wù),而同時(shí)要實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)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(gè)芯片組成,例如穩(wěn)壓器、電池充電器、電量計(jì)、外部看門狗和硬復(fù)位裝置,這些都會(huì)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(gè)方面的難題。該系列最新推出的 nPM1300具有高精度電量計(jì),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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