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电源管理ic:诸多优势与选型技巧

来源:
2022-06-06
类别:设计应用
eye 24
文章创建人 拍明芯城

原标题:电源管理ic:诸多优势与选型技巧

  电源管理芯片(Power Management Integrated Circuits),是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片.主要负责识别CPU供电幅值,产生相应的短矩波,推动后级电路进行功率输出.

  电源管理芯片的应用范围十分广泛,发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义,对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关,而数字电源管理芯片的发展还需跨越成本难关。

  当今世界,人们的生活已是片刻也离不开电子设备。电源管理芯片在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其它电能管理的职责。电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的,其性能的优劣对整机的性能有着直接的影响。

  电源管理的范畴比较广,既包括单独的电能变换(主要是直流到直流,即DC/DC),单独的电能分配和检测,也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的,电源管理芯片的分类也包括这些方面,比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。下面简要介绍一下电源管理芯片的主要类型和应用情况。

  如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制,要求占用PCB板面积小(如手机等手持电子产品),电路电源不允许使用电感器(如手机),电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能,要求稳压器压降及自身功耗低,线路成本低且方案简单,那么线性电源是最恰当的选择。这种电源包括如下的技术:精密的电压基准,高性能、低噪音的运放,低压降调整管,低静态电流。

  在小功率供电、运放负电源、LCD/LED驱动等场合,常应用基于电容的开关电源芯片,也就是通常所说的电荷泵(Charge Pump)。基于电荷泵工作原理的芯片产品很多,。这是一种由低噪声、恒定频率的电荷泵DC/DC转换器构成的白光LED驱动芯片。M6362A采用分数倍(1.5×)转换以提高效率。该器件采用并联方式驱动4路LED。输入电压范围为2.7V~5.5V,可为每路输出提供约20mA的电流。该器件还具备热管理系统特性,以保护任何输出引脚所出现的短路。其嵌入的软启动电路可防止启动时的电流过冲。M6362A利用简单串行控制接口对芯片进行使能、关断和32级对数刻度亮度控制。

  而基于电感的DC/DC芯片的应用范围最广泛,应用包括掌上电脑、相机、备用电池、便携式仪器、微型电话、电动机速度控制、显示偏置和颜色调整器等。主要的技术包括:BOOST结构电流模式环路稳定性分析,BUCK结构电压模式环路稳定性分析,BUCK结构电流模式环路稳定性分析,过流、过温、过压和软启动保护功能,同步整流技术分析,基准电压技术分析。

  除了基本的电源变换芯片,电源管理芯片还包括以合理利用电源为目的的电源控制类芯片。如NiH电池智能快速充电芯片,锂离子电池充电、放电管理芯片,锂离子电池过压、过流、过温、短路保护芯片;在线路供电和备用电池之间进行切换管理的芯片,USB电源管理芯片;电荷泵,多路LDO供电,加电时序控制,多种保护,电池充放电管理的复杂电源芯片等。

  特别是在消费类电子方面。比如便携式DVD、手机、数码相机等,几乎用1块-2块电源管理芯片就能够提供复杂的多路电源,使系统的性能发挥到最佳。

  在电路设计时,常用的电源器件无外乎两种,DC/DC和LDO。

  LDO

  

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  LDO是一种低压差线性稳压器,或者叫低压降器件,说明它一般用于需要降压的场合,具有成本低,噪音低,静态电流小等优点。它需要的外接元件也很少,通常只需要一两个旁路电容。

  LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平,主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET。P沟道MOSFET是电压驱动的,不需要电流,所以大大降低了器件本身消耗的电流。另外,P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。由于MOSFET的导通电阻很小,因而它上面的电压降非常低。

  DC/DC

  DC/DC的意思是直流变(到)直流(不同直流电源值的转换),只要符合这个定义都可以叫DC/DC转换器,包括LDO。但是一般的说法是把直流变(到)直流由开关方式实现的器件叫DC/DC。

  DC/DC包括升压、降压、升/降压和反相等电路。DC/DC转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。随着集成度的提高,许多新型DC/DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。但是,这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。

  如何选型

  如果输入电压和输出电压很接近,最好是选用LDO稳压器,可达到很高的效率,最重要的是成本低。有同行牛人作的总结了适用LDO的应用场合:

  比如需要高要求的电源噪声抑制和纹波抑制的产品,

  比如PCB板面积小,如手机等手持电子产品,

  比如电路电源不允许使用电感器,如手机等产品,

  比如电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能,

  比如要求稳压器低压降,自身功耗低的产品,

  比如要求线路成本低和方案简单的产品。

  如果输入电压和输出电压相差较大,或者压降较大,就要考虑用开关型的DC/DC了,因为LDO的输入电流基本上是等于输出电流的,如果压降太大,耗在LDO上能量太大,效率不高,所以DC/DC很合适。DC/DC虽然效率高,可以输出大电流,但同时输出干扰较大,体积也相对较大,成本稍高。

  总结下,升压是一定要选DC/DC,而降压,是选择DC/DC还是LDO,要在成本,效率,噪声和性能上比较再做分析。

  电子设备所具备的功能越多、性能越高,其结构、技术、系统就越复杂,传统的模拟技术电源管理IC满足系统整体电源管理要求的难度也就越大,价格也更加昂贵。数字控制器的核心主要由三个特殊模块组成:抗混叠(anti-aliasing)滤波器 [2] 、模数转换器(ADC)和数字脉冲宽度调制器(DPWM)。为了达到与模拟控制架构同等的性能指标,必须具备高分辨率、高速和线性ADC以及高分辨率、高速PWM电路设计。ADC分辨率必须能够满足误差小于输出电压允许变化的范围,所需的输出电压纹波越小,则对ADC的分辨率要求越高。同时,由于抗混叠滤波器以及流水线式或SAR模数转换器会引入环路延时,所以我们迫切需要高采样速率的模数转换器。模拟控制器对所产生的可能脉冲宽度存在固有的限制,而DPWM可以产生离散和有限的PWM宽度集。从稳定状态下的输出角度看,只可能有一组离散的输出电压。由于DPWM是反馈环路中的一部分,因此DPWM的分辨率必须足够高才能使输出不显示众所周知的极限周值。不显示任何极限周值所需的最少位数取决于拓扑、输出电压和ADC分辨率。同时,系统的环路稳定性由PI或者PID控制器来调整。


责任编辑:David

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