電子系統(tǒng)朝高可靠性方向發(fā)展 電源管理芯片是根基
電源管理芯片的應(yīng)用范圍十分廣泛,發(fā)展電源管理芯片對(duì)于提高整機(jī)性能具有重要意義,對(duì)電源管理芯片的選擇與系統(tǒng)的需求直接相關(guān),而數(shù)字電源管理芯片的發(fā)展還需跨越成本難關(guān)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/78169.htm當(dāng)今世界,人們的生活已是片刻也離不開電子設(shè)備。電源管理芯片在電子設(shè)備系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)起對(duì)電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責(zé)。電源管理芯片對(duì)電子系統(tǒng)而言是不可或缺的,其性能的優(yōu)劣對(duì)整機(jī)的性能有著直接的影響。
電源管理提高整機(jī)性能
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)的最佳性能,需要選擇最適合的電源管理方式。
首先,電子設(shè)備的核心是半導(dǎo)體芯片。而為了提高電路的密度,芯片的特征尺寸始終朝著減小的趨勢發(fā)展,從最初的幾十微米發(fā)展到目前的0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米乃至90納米。由于在相同的電壓下,電場強(qiáng)度隨距離的減小而線性增加,如果電源電壓還是原來的5V,產(chǎn)生的電場強(qiáng)度足以把芯片擊穿。所以,目前的芯片工作電壓已經(jīng)從以前的5V降低到3.3V、2.5V、1.8V,甚至更低。這樣,電子系統(tǒng)對(duì)電源電壓的要求就發(fā)生了變化,也就是需要不同的降壓型電源。為了在降壓的同時(shí)保持高效率,一般會(huì)采用降壓型開關(guān)電源。
同時(shí),許多電子系統(tǒng)還需要高于供電電壓的電源,比如在電池供電設(shè)備中,驅(qū)動(dòng)液晶顯示的背光電源,普通的白光LED驅(qū)動(dòng)等,都需要對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行升壓,這就需要用到升壓型開關(guān)電源。
此外,現(xiàn)代電子系統(tǒng)正在向高速、高增益、高可靠性方向發(fā)展,電源上的微小干擾都對(duì)電子設(shè)備的性能有影響,這就需要在噪聲、紋波等方面有優(yōu)勢的電源,需要對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行穩(wěn)壓、濾波等處理,這就需要用到線性電源。
上述不同的電源管理方式,可以通過相應(yīng)的電源芯片,結(jié)合極少的外圍元件,就能夠?qū)崿F(xiàn)??梢?,發(fā)展電源管理芯片是提高整機(jī)性能的必不可少的手段。
芯片選擇因事而異
電源管理的范疇比較廣,既包括單獨(dú)的電能變換(主要是直流到直流,即DC/DC),單獨(dú)的電能分配和檢測,也包括電能變換和電能管理相結(jié)合的系統(tǒng)。相應(yīng)的,電源管理芯片的分類也包括這些方面,比如線性電源芯片、電壓基準(zhǔn)芯片、開關(guān)電源芯片、LCD驅(qū)動(dòng)芯片、LED驅(qū)動(dòng)芯片、電壓檢測芯片、電池充電管理芯片等。下面簡要介紹一下電源管理芯片的主要類型和應(yīng)用情況。
如果所設(shè)計(jì)的電路要求電源有高的噪音和紋波抑制,要求占用PCB板面積小(如手機(jī)等手持電子產(chǎn)品),電路電源不允許使用電感器(如手機(jī)),電源需要具有瞬時(shí)校準(zhǔn)和輸出狀態(tài)自檢功能,要求穩(wěn)壓器壓降及自身功耗低,線路成本低且方案簡單,那么線性電源是最恰當(dāng)?shù)倪x擇。這種電源包括如下的技術(shù):精密的電壓基準(zhǔn),高性能、低噪音的運(yùn)放,低壓降調(diào)整管,低靜態(tài)電流。
在小功率供電、運(yùn)放負(fù)電源、LCD/LED驅(qū)動(dòng)等場合,常應(yīng)用基于電容的開關(guān)電源芯片,也就是通常所說的電荷泵(ChargePump)。基于電荷泵工作原理的芯片產(chǎn)品很多,比如AAT3113。
這是一種由低噪聲、恒定頻率的電荷泵DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的白光LED驅(qū)動(dòng)芯片。AAT3113采用分?jǐn)?shù)倍(1.5×)轉(zhuǎn)換以提高效率。該器件采用并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)4路LED。輸入電壓范圍為2.7V~5.5V,可為每路輸出提供約20mA的電流。該器件還具備熱管理系統(tǒng)特性,以保護(hù)任何輸出引腳所出現(xiàn)的短路。其嵌入的軟啟動(dòng)電路可防止啟動(dòng)時(shí)的電流過沖。AAT3113利用簡單串行控制接口對(duì)芯片進(jìn)行使能、關(guān)斷和32級(jí)對(duì)數(shù)刻度亮度控制。
而基于電感的DC/DC芯片的應(yīng)用范圍最廣泛,應(yīng)用包括掌上電腦、相機(jī)、備用電池、便攜式儀器、微型電話、電動(dòng)機(jī)速度控制、顯示偏置和顏色調(diào)整器等。主要的技術(shù)包括:BOOST結(jié)構(gòu)電流模式環(huán)路穩(wěn)定性分析,BUCK結(jié)構(gòu)電壓模式環(huán)路穩(wěn)定性分析,BUCK結(jié)構(gòu)電流模式環(huán)路穩(wěn)定性分析,過流、過溫、過壓和軟啟動(dòng)保護(hù)功能,同步整流技術(shù)分析,基準(zhǔn)電壓技術(shù)分析。
除了基本的電源變換芯片,電源管理芯片還包括以合理利用電源為目的的電源控制類芯片。如NiH電池智能快速充電芯片,鋰離子電池充電、放電管理芯片,鋰離子電池過壓、過流、過溫、短路保護(hù)芯片;在線路供電和備用電池之間進(jìn)行切換管理的芯片,USB電源管理芯片;電荷泵,多路LDO供電,加電時(shí)序控制,多種保護(hù),電池充放電管理的復(fù)雜電源芯片等。
目前的很多產(chǎn)品都在朝這個(gè)方向發(fā)展,因?yàn)檫@類產(chǎn)品的應(yīng)用更加廣泛,特別是在消費(fèi)類電子方面。比如便攜式DVD、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等,幾乎用1塊-2塊電源管理芯片就能夠提供復(fù)雜的多路電源,使系統(tǒng)的性能發(fā)揮到最佳。
數(shù)字電源彌補(bǔ)模擬芯片缺憾
電子設(shè)備所具備的功能越多、性能越高,其結(jié)構(gòu)、技術(shù)、系統(tǒng)就越復(fù)雜,傳統(tǒng)的模擬技術(shù)電源管理IC滿足系統(tǒng)整體電源管理要求的難度也就越大,價(jià)格也更加昂貴。高性能全數(shù)字控制IC是目前智能化電源管理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢,有靈活、快速響應(yīng)、高集成度以及高度可控的巨大優(yōu)勢。
目前全球只有一些老牌半導(dǎo)體廠商以及新興的IC供應(yīng)商率先投入到這個(gè)新的競技場。TI、Microchip、ZilkerLabs、iWatt、SiliconLabs等公司紛紛推出各自的數(shù)字電源產(chǎn)品。
數(shù)字控制器的核心主要由三個(gè)特殊模塊組成:抗混疊(anti-aliasing)濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字脈沖寬度調(diào)制器(DPWM)。為了達(dá)到與模擬控制架構(gòu)同等的性能指標(biāo),必須具備高分辨率、高速和線性ADC以及高分辨率、高速PWM電路設(shè)計(jì)。ADC分辨率必須能夠滿足誤差小于輸出電壓允許變化的范圍,所需的輸出電壓紋波越小,則對(duì)ADC的分辨率要求越高。同時(shí),由于抗混疊濾波器以及流水線式或SAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器會(huì)引入環(huán)路延時(shí),所以我們迫切需要高采樣速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模擬控制器對(duì)所產(chǎn)生的可能脈沖寬度存在固有的限制,而DPWM可以產(chǎn)生離散和有限的PWM寬度集。從穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出角度看,只可能有一組離散的輸出電壓。由于DPWM是反饋環(huán)路中的一部分,因此DPWM的分辨率必須足夠高才能使輸出不顯示眾所周知的極限周值。不顯示任何極限周值所需的最少位數(shù)取決于拓?fù)?、輸出電壓和ADC分辨率。同時(shí),系統(tǒng)的環(huán)路穩(wěn)定性由PI或者PID控制器來調(diào)整。目前與模擬控制架構(gòu)相比,數(shù)字控制架構(gòu)的成本將大幅增加。
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