基本电源管理大全

出处:网络整理 发布于:2023-01-12 17:19:17

    电源电路是所有电子设备中的公共级,无论它们是电池供电的,还是外部直流电或交流电的。整个系统的性能、可靠性和效率都取决于这个基本电路。
    多年来,电源管理电路经历了快速发展,从基于分立元件(笨重、昂贵且设计复杂)的解决方案过渡到更加紧凑、高效、易于管理和可根据应用程序的要求。
    当今高度集成和可编程电源解决方案的内置智能消除了对外部组件的需求,大大简化了设计过程。通过这样做,材料清单更便宜,系统更有效,并且单个集成电路包含系统控制和灵活性。
    本文基于 Qorvo 出版的“For dummies”系列电子书 [1],将介绍每位设计师、创客或学生在面对电源管理应用时必须掌握的基本概念。
    电源
    电源的主要类型包括交流、直流、电池和超低功耗直流(能量收集)。
    大多数电池供电应用使用锂离子 (Li-ion) 或锂聚合物 (LiPo) 电池,通常串联或并联组合形成电池组。当串联连接时,电池会增加电池组电压和电池组容量。当并联连接时,它们会增加整体电流和容量。
    另一个相关组件是DC-DC转换器,用于将直流电压从一个值转换为另一个值(例如,将四节1.5V电池提供的6V电压转换为电路所需的5V直流电压)。如果输出电压高于或低于输入电压,则 DC-DC 稳压器分别称为升压或降压。DC-DC转换器可分为两组:
    隔离式转换器:出于安全原因,输出通过变压器或电容式功率传输与输入隔离
    非隔离转换器:它们具有从输入到输出接地的直流路径,并共享输入和输出接地连接。
    线性和开关稳压器
    根据它们采用的电压转换方法,直流稳压器可分为开关式或线性式。设计工程师必须根据输入电压、输出电压和预期电流负载为其系统设计选择直流稳压器。
    线性稳压器
    线性稳压器使用线性组件(即电阻组件)将输入电压 V IN转换为(通常不同的)稳压输出电压 V OUT 。
    线性转换器的典型特性如下:
    不可忽略的功耗(产生热量)
    适合低功率和低电流应用
    效率严格取决于电压差 V OUT – V IN
    噪声和射频辐射可忽略不计
    适用于传感器和锁相环等敏感模拟IC
    一种特殊类型的线性稳压器是 LDO(低压差稳压器)。LDO 是一种直流线性稳压器,即使在输入电压非常接近输出电压时也可以调节输出电压。由于电压差 (V OUT – V IN ) 在这种情况下非常小,因此 LDO 可以实现高效率。LDO 稳压器的典型表示和响应如图 1 所示。

    如前所述,LDO 由于其高电源抑制比 (PSRR),通常会产生低噪声和无纹波的输出电压。还考虑到它们的低待机电流消耗,LDO 适用于便携式和无线应用。

    图 1:LDO 电路和响应(:[1])
    开关稳压器
    开关稳压器通过开关元件将 V IN转换为不同的 V OUT,并使用外部电感器和电容器来平滑输出电压。与线性稳压器相比,开关稳压器通常效率更高,并且可以支持更高的电流输出。然而,稳压输出电压受纹波或开关噪声的影响,无法通过滤波完全抑制。
    开关稳压器的直流(几乎恒定)输入电压通过开关 FET 变为交流波形(在两个值之间切换),然后通过电容器和电感器以不同的输出电压转换回直流。这些开关稳压器以这种方式实现了效率和紧凑性的优势,但它们也增加了噪声和纹波。
    开关稳压器又称SMPS(Switched Mode Power Supply),按输入电压与输出电压的关系可分为:
    降压稳压??器:V OUT小于 V IN
    升压稳压器:V OUT大于 V IN
    降压-升压稳压器:V OUT可以低于、高于或等于 V IN。
    降压转换器是一种降压稳压器,包括电感器、开关 FET 或二极管、电容器和带有开关控制电路的误差放大器(见图 2)。它通过改变 MOSFET 导通和向电感器供电的时间量来运行。

    由于降压转换器中的 MOSFET 要么完全导通,要么完全关闭,因此具有很高的效率。与线性稳压器不同,它不会在开和关之间的电阻状态下工作。


    图 2:降压转换器电路和响应(:[1])
    升压转换器是一种升压调节器,由与降压转换器相同的组件组成,但连接方式不同。它基本上通过改变 MOSFET 导通的时间量和向电感器供电来运行。
    ,降压-升压转换器是一种开关模式转换器,它将降压和升压原理结合到单个稳压器中,从而处理各种输入和输出电压。控制电路调整 MOSFET 的开启和关闭时间,以根据需要降压或升高输入电压以获得所需的输出电压。
    电源管理集成电路
    电源管理 IC (PMIC) 是用于电压转换、电压调节和电池管理的集成电路。其他功能包括电源系统排序、为多个负载供电,以及过压、欠压、过流和热故障保护。
    PMIC 的主要优点是它能够通过单个 IC 提供多个电源轨。它们对于需要具有不同值的多个电源电压的高度集成应用特别有用。
    图 3 显示了如何将基于分立元件的解决方案有效地迁移到 PMIC 解决方案(在本例中为 Qorvo IC),从而减少整体尺寸和元件数量。
    事实上,现代 PMIC 可以执行部分甚至所有应用的电压控制需求,这是其灵活性的一个主要因素。通过使用固件,这些自适应 PMIC 可以配置为在各种应用中工作,而无需更改物理电路。这缩短了物品进入市场所需的时间,并实现了应用程序之间的无缝切换。
  
    图 3:分立电源管理系统正在迁移到一个集成 PMIC 解决方案(:[1])
    由于 PMIC 的功率元件是集成的,从而导致更小的布局和更低的寄生电感,它们自然会降低噪声。还可以优化脉冲波形的上升和下降时间、开关频率和占空比,以产生一定范围的输出电压、降低 EMI 并提高效率。
    由于效率与系统、其各个组件和产品尺寸的散热直接相关,因此电源管理解决方案的设计人员必须限度地减少热量,以避免热失控和可能的系统或组件损坏。

关键词:电源管理

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