電源管理的原理是什么？如何實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)的電源管理設(shè)計(jì)

電源管理是指對(duì)電子設(shè)備中的電源進(jìn)行控制、監(jiān)視和管理的技術(shù)。電源管理芯片是實(shí)現(xiàn)電源管理功能的核心元件。通過(guò)對(duì)電源進(jìn)行合理的分配和管理，電源管理芯片可以確保電子設(shè)備在不同負(fù)載條件下的穩(wěn)定運(yùn)行，提高能源利用效率，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對(duì)于依賴(lài)電池電源的移動(dòng)式設(shè)備至關(guān)重要。通過(guò)降低組件閑置時(shí)的能耗，優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貕勖娱L(zhǎng)兩倍或三倍。電源管理技術(shù)也稱(chēng)做電源控制技術(shù)，它屬于電力電子技術(shù)的范疇，是集電力變換，現(xiàn)代電子，網(wǎng)絡(luò)組建，自動(dòng)控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)，能源，交通，信息，航空，國(guó)防，教育，文化等諸多領(lǐng)域。

一、電源管理的原理

電源管理的基本原理是根據(jù)電子設(shè)備的實(shí)際需要，對(duì)電源進(jìn)行合理的分配和控制。其核心目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效、可靠、節(jié)能的電源供應(yīng)，以滿(mǎn)足電子設(shè)備的正常運(yùn)行和延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

1.1 電源分配

電源分配是指將電源按照電子設(shè)備的不同需求，合理地分配到各個(gè)負(fù)載上。在電子設(shè)備中，不同的負(fù)載需要不同的電壓和電流，因此電源管理芯片需要對(duì)各個(gè)負(fù)載進(jìn)行精確控制。通過(guò)合理地分配電源，可以確保各個(gè)負(fù)載在最佳狀態(tài)下工作，提高設(shè)備的整體性能。

1.2 電源保護(hù)

電源保護(hù)是電源管理的另一個(gè)重要功能。在異常電源條件下，如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流等情況下，電源管理芯片需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以防止對(duì)電子設(shè)備造成損害。例如，在過(guò)壓時(shí)，電源管理芯片可以啟動(dòng)保護(hù)電路，關(guān)閉部分負(fù)載或降低輸出電壓，以保護(hù)電子設(shè)備不受損壞。

1.3 電源節(jié)能

電源節(jié)能是電源管理的另一個(gè)重要目標(biāo)。通過(guò)智能控制電源的供應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。例如，當(dāng)電子設(shè)備處于待機(jī)或低功耗模式時(shí)，電源管理芯片可以關(guān)閉部分負(fù)載或降低供電電壓，以減少能源浪費(fèi)。此外，還可以采用動(dòng)態(tài)調(diào)壓和時(shí)鐘門(mén)控等技術(shù)，進(jìn)一步提高節(jié)能效果。

二、電源管理的方法

電源管理的方法主要包括以下幾種：

2.1 線(xiàn)性調(diào)節(jié)

線(xiàn)性調(diào)節(jié)是最簡(jiǎn)單的電源管理方法之一。它是通過(guò)調(diào)節(jié)線(xiàn)性穩(wěn)壓器來(lái)控制輸出電壓和電流。線(xiàn)性穩(wěn)壓器的原理是將輸入電壓與輸出電壓之間的壓差轉(zhuǎn)換為熱能，并將其散發(fā)出去。這種方法具有簡(jiǎn)單易用的優(yōu)點(diǎn)，但效率較低，發(fā)熱量大。因此，在需要高效率的電子設(shè)備中，通常不使用線(xiàn)性調(diào)節(jié)方法。

2.2 開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)

開(kāi)關(guān)電源調(diào)節(jié)是一種常見(jiàn)的電源管理方法。它是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓和電流。開(kāi)關(guān)電源具有效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此在很多電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。但是，開(kāi)關(guān)電源的噪聲較大，對(duì)信號(hào)質(zhì)量有一定影響。

2.3 嵌入式電源管理芯片

嵌入式電源管理芯片是一種高度集成的電源管理解決方案。它可以將多個(gè)獨(dú)立的電源管理功能集成在一顆芯片內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)更高效的電源管理。嵌入式電源管理芯片通常具有多種保護(hù)功能和可編程功能，可以根據(jù)設(shè)備的實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整和控制。這種方法具有集成度高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

2.4 分布式電源管理系統(tǒng)

分布式電源管理系統(tǒng)是一種更為先進(jìn)的電源管理方法。它將多個(gè)獨(dú)立的電源管理模塊分布在整個(gè)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的精細(xì)化控制和優(yōu)化。分布式電源管理系統(tǒng)通常具有智能化的特點(diǎn)，可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和控制。這種方法具有靈活性高、可靠性高、維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)現(xiàn)成本較高。

綜上所述，電源管理是確保電子設(shè)備正常運(yùn)作的關(guān)鍵技術(shù)之一。它通過(guò)對(duì)電源進(jìn)行合理的分配、保護(hù)和管理，實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備的節(jié)能、高效、可靠運(yùn)行。隨著科技的不斷發(fā)展，嵌入式電源管理芯片和分布式電源管理系統(tǒng)將成為未來(lái)電源管理技術(shù)的主要發(fā)展方向。鎖相環(huán)(PLL)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的基本組成部分。PLL通常用于在無(wú)線(xiàn)電接收器或發(fā)射器中提供本振(LO)功能;它們還用于時(shí)鐘信號(hào)分配和降噪，并越來(lái)越多地用作高采樣率模數(shù)或數(shù)模轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘源。

隨著PLL的噪聲性能逐代提高，電源噪聲的影響也越來(lái)越明顯，在某些情況下甚至?xí)拗圃肼曅阅堋?

本文考慮圖1所示的基本PLL方案，并研究每個(gè)構(gòu)建模塊的電源管理要求。

圖1.顯示各種電源管理要求的基本鎖相環(huán)。

在PLL中，反饋控制環(huán)路驅(qū)動(dòng)壓控振蕩器(VCO)，使振蕩器頻率(或相位)精確跟蹤施加參考頻率的倍數(shù)。許多很好的參考文獻(xiàn)，例如，貝斯特的鎖相環(huán)，1解釋PLL的數(shù)學(xué)分析;以及仿真工具，如ADI公司的ADIsimPLL?，有助于理解循環(huán)傳遞函數(shù)和計(jì)算?，F(xiàn)在讓我們依次看一下PLL構(gòu)建模塊。

VCO和VCO推動(dòng)

壓控振蕩器將來(lái)自鑒相器的誤差電壓轉(zhuǎn)換為輸出頻率。它的“增益”定義為KVCO，通常以 MHz/V 為單位指定。壓控可變電容二極管(變?nèi)荻O管)通常用于調(diào)節(jié)VCO中的頻率。VCO的增益通常大到足以提供足夠的頻率覆蓋，但又不會(huì)大到降低相位噪聲，因?yàn)槿魏巫內(nèi)荻O管噪聲都會(huì)被放大KVCO并導(dǎo)致輸出相位噪聲。

多頻段集成VCO的出現(xiàn)，例如集成VCO的ADF4350頻率合成器中使用的VCO，消除了兩者之間的權(quán)衡KVCO和頻率覆蓋范圍，允許PLL設(shè)計(jì)人員使用包含多個(gè)中等增益VCO的IC，并通過(guò)智能頻段切換例程根據(jù)編程輸出頻率選擇合適的頻段。這種頻段劃分提供了寬闊的整體范圍和更低的噪聲。

除了從輸入電壓變化到輸出頻率變化(KVCO)，電源變化會(huì)產(chǎn)生不需要的輸出頻率變化分量。VCO對(duì)電源變化的敏感性定義為VCO推動(dòng) (K推動(dòng))，通常是通緝犯的一小部分KVCO.例如K推動(dòng)通常為 5% 至 20%KVCO.因此，對(duì)于高增益VCO，推動(dòng)效應(yīng)變得更大，VCO電源的噪聲貢獻(xiàn)變得更加關(guān)鍵。

VCO 推動(dòng)是通過(guò)向 VTUNE 引腳施加直流調(diào)諧電壓、改變電源電壓并測(cè)量頻率變化來(lái)測(cè)量的。推力圖是使用ADF4350 PLL的頻率變化與電壓變化之比，如表1所示。

表 1.ADF4350 VCO 推送測(cè)量

VCO

頻段

(兆赫)

V調(diào)整

(五)

f1(兆赫) 在 V 時(shí)VCO= 3 V

f2(兆赫) 在 V 時(shí)VCO= 3.3 V

K推動(dòng)= Δf/δV (兆赫/伏)

22002.52233.4462233.0611.28

33002.53331.1123331.7992.3

44002.54462.5774464.2425.55

參考文獻(xiàn) 2 中提到的另一種方法是將低頻方波直流耦合到電源中，同時(shí)觀(guān)察 VCO 頻譜兩側(cè)的頻移鍵控 (FSK) 調(diào)制峰值(圖 2)。峰值之間的頻率偏差除以方波幅度得出VCO推頻數(shù)。這可能是比靜態(tài)直流測(cè)試更準(zhǔn)確的測(cè)量方法，因?yàn)樗伺c直流輸入電壓變化相關(guān)的任何熱效應(yīng)。圖2顯示了ADF4350 VCO輸出在3.3 GHz時(shí)的頻譜分析儀圖，標(biāo)稱(chēng)3.3 V電源施加10 kHz、0.6 V p-p方波。對(duì)于 1.62 MHz/0.6 V 或 2.7 MHz/V 的推動(dòng)數(shù)，由此產(chǎn)生的偏差為 3326.51 MHz – 3324.89 MHz = 1.62 MHz。相比之下，表1給出了2.3 MHz/V的靜態(tài)測(cè)量值。

圖2.ADF4350 VCO對(duì)10 kHz、0.6 V p-p方波電源調(diào)制的響應(yīng)的頻譜分析儀圖。

在PLL系統(tǒng)中，更高的VCO推力意味著VCO電源噪聲的倍增更大。需要低噪聲電源，以盡量減少對(duì)VCO相位噪聲的影響。

基準(zhǔn)電壓源3和基準(zhǔn)4提供了不同低壓差穩(wěn)壓器(LDO)如何影響PLL相位噪聲的良好示例。例如，比較了ADP3334和ADP150 LDO為ADF4350供電的情況。ADP3334穩(wěn)壓器的集成均方根噪聲為27 μV(超過(guò)四十年頻程，從10 Hz到100 kHz)。相比之下，ADF4350評(píng)估板上使用的LDOADP150為9 μV。測(cè)量的PLL相位噪聲頻譜密度的差異如圖3所示。測(cè)量是在4.4 GHz VCO頻率下進(jìn)行的，其中VCO推力最大(表1)，因此這是最壞情況的結(jié)果。ADP150穩(wěn)壓器噪聲足夠低，因此其貢獻(xiàn)不會(huì)顯著增加VCO噪聲，使用兩節(jié)(可能為“無(wú)噪聲”)AA電池重復(fù)測(cè)量證實(shí)了這一點(diǎn)。