在本章中,您將學習電源管理的基礎(chǔ)知識,包括不同應用所需的電路設(shè)計類型。您還會了解到什么是電源管理集成電路(PMIC),以及當今的多功能 PMIC 為何能夠替代各種類型的穩(wěn)壓器。
掌握電源基礎(chǔ)知識
某個設(shè)備或電子系統(tǒng)所需要的 DC 電源管理子系統(tǒng)的類型取決于該設(shè)備或系統(tǒng)的電源??赡艿碾娫窗?AC、電池、DC 以及超低功耗 DC(能量采集)。絕大多數(shù)由電池供電的電子產(chǎn)品使用鋰離子(Li-ion)或鋰聚合物(LiPo)電池。一個電池組可能包含幾塊電池,通過串聯(lián)或者并聯(lián)方式連接起來。圖 1-1 是一些示例。
以下是每種連接配置下的電壓和電流性能:
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串聯(lián)電池可提高電池組電壓,同時提高整個電池組容量。
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并聯(lián)電池不能提高電池組電壓,但會提高整個電池組的電流控制能力和電流容量。
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串并聯(lián)電池可同時提高電壓、電流控制能力、電流容量。
在一些由電池供電的應用中,系統(tǒng)組件可能無法直接使用電池電力。這些組件可能需要一個更低或者更高的電壓才能正常運行。在充放電過程中,電池的電壓也會發(fā)生變化。DC-DC 轉(zhuǎn)換器可用來監(jiān)控這種未調(diào)節(jié)的電池輸入電壓并使其保持穩(wěn)定。這些轉(zhuǎn)換器通常被稱為穩(wěn)壓器,因為它們可以根據(jù)需要提高、降低或者調(diào)節(jié)電壓(如圖 1-2 所示),然后把調(diào)整后的電壓提供給系統(tǒng)子組件使用。
DC-DC 穩(wěn)壓器包括隔離型和非隔離型,取決于輸入接地是否與輸出接地相連:
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隔離轉(zhuǎn)換器用于對輸入和輸出電壓進行隔離,一般采用變壓器或電容式電力傳輸。
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非隔離轉(zhuǎn)換器有一條連接輸入接地和輸出接地的 DC 通路,并共享輸入和輸出接地連接。
DC-DC 穩(wěn)壓器分類
根據(jù)所用的電壓轉(zhuǎn)換方式,DC 穩(wěn)壓器共分兩類:線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器。這是兩種基本穩(wěn)壓器類型,用于相機、手機、可穿戴設(shè)備以及計算機等電子設(shè)備。設(shè)計工程師將基于輸入電壓、輸出電壓以及所需的電流負荷,為其系統(tǒng)設(shè)計選擇適當?shù)?DC 穩(wěn)壓器。
線性穩(wěn)壓器
線性穩(wěn)壓器可把輸入電壓(VIN)轉(zhuǎn)換為不同的輸出電壓(VOUT),使用一個線性組件(即電阻型組件)來調(diào)節(jié)輸出電壓 VOUT。線性穩(wěn)壓器的一般特性:
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耗散電能。
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用于低電流和低電源軌。
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效能不高。
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用于低噪音電源。
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低波紋和低噪音特性使其適合靈敏的模擬集成電路,如傳感器、鎖相環(huán)路等。
對于線性穩(wěn)壓器,一種重要的類型是低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器。在 VIN和 VOUT 相差很小時,LDO。能持續(xù)輸出穩(wěn)定的 VOUT。
開關(guān)式穩(wěn)壓器
開關(guān)式穩(wěn)壓器通過一個開關(guān)元件轉(zhuǎn)換 VIN 到不同的 VOUT,并使用外部電感和電容來穩(wěn)定輸出電壓 VOUT。開關(guān)式穩(wěn)壓器通常效率更高,支持比線性穩(wěn)壓器更高的輸出電流。但輸出被調(diào)節(jié)后仍有波紋或開關(guān)噪聲,即使經(jīng)濾波后仍然存在。
按照輸入與輸出電壓間的關(guān)系,開關(guān)式穩(wěn)壓器分類如下:
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降壓型開關(guān)式穩(wěn)壓器:VOUT 低于 VIN
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升壓型開關(guān)式穩(wěn)壓器:VOUT 高于 VIN
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降壓-升壓型開關(guān)式穩(wěn)壓器:VOUT 可變,可低于、高于或等于VIN
以上是設(shè)計工程師常用的四種穩(wěn)壓器拓撲?LDO 以及三種開關(guān)式穩(wěn)壓器(降壓型、升壓型、降壓 - 升壓型)。在下面幾節(jié),我們將詳細介紹這四種穩(wěn)壓器。
LDO 穩(wěn)壓器
低壓差線性穩(wěn)壓器是一種 DC 線性穩(wěn)壓器,可以在供電電壓和輸出電壓非常接近時調(diào)節(jié)輸出電壓水平。對于 LDO,跌落電壓應盡可能最小,這樣可以盡量減少電量耗散,最大限度地提高系統(tǒng)效率(如圖 1-3 所示)。
與開關(guān)式穩(wěn)壓器相比,LDO 通常具有更高的電源供應抑制比(PSRR),意味著 LDO 可以生成低噪聲輸出電壓。LDO 一般不產(chǎn)生任何波紋,在降低輸入電源噪聲或波紋方面非常有用。LDO 待機電流消耗低,這使得它成為便攜式和無線應用的絕佳解決方案。
降壓型轉(zhuǎn)換器
這里 Buck 的意思是“降低”或“減弱”。降壓轉(zhuǎn)換器是一個減弱型轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器,可以高效輸出低于 VIN 的 VOUT。降壓型電路包含電感、開關(guān)場效應晶體管(FET)或二極管、電容以及具有開關(guān)控制電路的誤差放大器(如圖 1-4 所示)。降壓轉(zhuǎn)換器會改變金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的開啟時間,然后把電能應用到感應器上。降壓轉(zhuǎn)換器有很高的效率,因為 MOSFET 或者完全開啟,或者完全關(guān)閉。在開和關(guān)(阻抗)兩種狀態(tài)之間,降壓轉(zhuǎn)換器不工作,這一點與線性穩(wěn)壓器不同。
降壓轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生切換波形,波形為脈寬調(diào)制(PWM)模式或脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式,然后使用外部電感和電容濾波組件進行濾波,最后生成平滑的輸出電壓 VOUT。這種電壓轉(zhuǎn)換方式效率很高,可延長電池壽命、降低系統(tǒng)發(fā)熱、減小產(chǎn)品尺寸。
降壓型轉(zhuǎn)換器用在很多通過 USB 取電的應用以及其他計算機外設(shè)中。同時也用在智能手機、平板電腦、移動設(shè)備以及其他很多電子設(shè)備中。
升壓型轉(zhuǎn)換器
Boost 在這里的意思是“增強”。升壓轉(zhuǎn)換器把 VIN 升高,產(chǎn)生 VOUT。例如,當您想把 3.3 伏 DC 輸入電壓轉(zhuǎn)換為 5.0 伏的輸出電壓時 VOUT 時,升壓轉(zhuǎn)換器會很方便。這種升壓操作常見于很多鋰離子或鋰聚合物電池應用。
升壓電路與降壓電路包含同樣的組件(感應器、開關(guān)場效應晶體管 [FET]或二極管、電容器、帶開關(guān)控制電路的誤差放大器),但是具有不同的連接方式。升壓電路同樣通過控制 MOSFET 的開啟時間把電能應用到感應器來工作。(如圖 1-5 所示)。
降壓 - 升壓型轉(zhuǎn)換器
降壓 - 升壓型轉(zhuǎn)換器是一個開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器,在單一穩(wěn)壓器中結(jié)合了降壓和升壓兩種方式。它可以處理大范圍的輸入和輸出電壓??刂齐娐氛{(diào)節(jié)MOSFET 的開關(guān)時間,降低或提高輸入電壓,根據(jù)需要產(chǎn)生 VOUT(如圖1-6 所示)。
除圖 1-6 所示的標準降壓 - 升壓型之外,還存在其他類型的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器,比如 Sepic 型、Cuk 型以及 Zeta 型。這些轉(zhuǎn)換器都可以調(diào)節(jié)VOUT,使之低于、高于或等于 VIN。
電源管理集成電路介紹
PMIC 是用于電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、電池管理的集成電路。它們可以處理電源系統(tǒng)時序,為多種負載供電,并可以在過壓、欠壓、過流、熱故障等情況下提供保護功能。
單個 PMIC 可以管理多個外部電源,把不同的系統(tǒng)需求映射到適當?shù)姆€(wěn)壓器輸出電壓上。它們也可以用在各種處理器、系統(tǒng)控制器以及最終應用上,只需要更改相關(guān)寄存器設(shè)置或固件,而不需要重新設(shè)計新的集成電路(IC)。
因為當前的幾種趨勢,PMIC 市場正在飛速發(fā)展。一種趨勢是消費者對無線移動的追逐,帶來了對于小型、電池驅(qū)動設(shè)備的大量需求,隨之則需要更多高集成度電源管理解決方案,如圖 1-7 所示。該圖顯示了 Qorvo 的PMIC 解決方案如何大幅度降低組件數(shù)量和方案的整體大小。
同時,消費者和廠商對節(jié)能環(huán)保、減少碳排放類產(chǎn)品的需求也日益增長。全球的“綠色”潮流增加了對配備高效電源管理的電子產(chǎn)品的需求,讓電源管理成了一種非常重要并大受歡迎的特性。
一體式 PMIC
當今的 PMIC 之所以被廣泛使用,一個重要原因是它們可以滿足應用中的多種甚至全部電壓調(diào)整功能(如圖 1-8 所示)。這些多功能 PMIC 可通過固件來定制,從而適用于多種不同應用,消除硬件電路更改的高成本。上述特性讓它們可以在不同應用中平滑轉(zhuǎn)換,從而縮短產(chǎn)品上市時間。
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