電子設(shè)備的能力管理大師（上）

芝識課堂【電源管理IC】——電子設(shè)備的能力管理大師（上）

在電子設(shè)備中罪不可缺少的單元是什么？非電源管理單元莫屬，它負(fù)責(zé)電子設(shè)備系統(tǒng)中電能的轉(zhuǎn)換、配電、檢測和其他電源管理。其主要負(fù)責(zé)將源電壓和電流轉(zhuǎn)換為可由微處理器、傳感器等負(fù)載使用的電源。作為管理電子設(shè)備電能供應(yīng)的心臟，電源管理芯片是電子設(shè)備中必須一直保持工作狀態(tài)的單元，電源管理芯片一旦失效將直接導(dǎo)致電子設(shè)備停止工作甚至損毀，基于這樣的關(guān)鍵作用，電源管理芯片必須要滿足高穩(wěn)定、高可靠、低功耗等要求。

隨著環(huán)保概念的提升，各種高能效等級標(biāo)準(zhǔn)的推行，加上今年開始的碳中和概念的日漸普及，對優(yōu)秀電源管理芯片還增加了高能效和高集成度等新的要求，從而滿足電子設(shè)備更低功耗和更小尺寸的設(shè)計(jì)理念。作為全球電源管理芯片的領(lǐng)導(dǎo)廠商，我們一起來探討東芝如何提供高可靠、低功耗和高集成度的電源管理IC。

東芝半導(dǎo)體的電源管理IC支持設(shè)備多功能化和實(shí)現(xiàn)節(jié)能的功能，除了簡單的線性穩(wěn)壓器IC、開關(guān)穩(wěn)壓器IC和多功能系統(tǒng)電源IC之外，電源管理IC還包括負(fù)載開關(guān)IC，這種負(fù)載開關(guān)IC將在待機(jī)期間停止向負(fù)載供電并控制供電順序。

圖 1 東芝電源管理IC的產(chǎn)品分類

 根據(jù)系統(tǒng)要求的規(guī)格，常用電子設(shè)備中器件電源采用各種電源管理IC組合而成，通過各種功能的電源管理IC共同組成完整的電源管理系統(tǒng)，常見的電源管理結(jié)構(gòu)示例見圖2。

圖2 系統(tǒng)中的電源線結(jié)構(gòu)示例

為什么需要POL電源IC？

負(fù)載點(diǎn) (POL) 電源供應(yīng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是電源管理模塊可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應(yīng)器，由于使用的LSI具有低電壓和多功能性，因此需要具有低電壓容限和低噪聲的電源。同時(shí)，由于電路板布線較長，由串?dāng)_引起的電壓降和電源噪聲成為了需要解決的問題。對于這種應(yīng)用，能在負(fù)載端（靠近待使用的電路塊）附近產(chǎn)生和提供電壓的POL（負(fù)載點(diǎn)）電源IC已引起了人們的廣泛關(guān)注。

圖3 典型的POL系統(tǒng)在產(chǎn)品板上的圖像

常用的本地電源IC的類型

目前POL電源結(jié)構(gòu)中有兩種本地電源IC：（1）線性型和（2）開關(guān)型。電路設(shè)計(jì)人員可以正確選擇這些功率IC并將其放置在正確位置以最大限度提高設(shè)備的性能。

線性型包括串聯(lián)穩(wěn)壓器（通常為LDO和3端穩(wěn)壓器）和并聯(lián)穩(wěn)壓器。生產(chǎn)低噪聲、高精度本地電源只需利用很少的外部零件，制作簡單、成本較低。但是損耗很高（效率低），且只能使用降壓型。特別是并聯(lián)穩(wěn)壓器的效率非常低，目前往往不使用。

串聯(lián)穩(wěn)壓器

并聯(lián)穩(wěn)壓器

開關(guān)型電源管理IC通常被稱為DC/DC轉(zhuǎn)化器。根據(jù)電路配置，可以使用升壓型或降壓型。雖然損耗很低（效率高），但必須要使用線圈等外部零件，所以電路尺寸將變大，成本也增高。切換輸入直流電壓（~1MHz）以產(chǎn)生矩形波，該矩形波將被平整并轉(zhuǎn)化為所需的直流電壓。雖然東芝半導(dǎo)體提供的IC種類有限，但我們提供各種MOSFET，可用于DC/DC轉(zhuǎn)化器應(yīng)用。

降壓型

升壓型

線性穩(wěn)壓器的工作原理

串聯(lián)穩(wěn)壓器

如圖所4示，串聯(lián)穩(wěn)壓器不需要外部零件。（需要輸入／輸出電容器）MOSFET作為可變電阻進(jìn)行工作，因此輸出電壓變?yōu)楹愣妷骸?/span>

MOSFET的漏極和源極之間的電位差（V_IN－V_OUT）×輸入電流（I_IN）將產(chǎn)生損耗。例如，如果輸入是5V，輸出是3V，則效率是60%。它用于要求低噪聲和精確輸出電壓的電路電源。

并聯(lián)穩(wěn)壓器

圖5中虛線所包圍的區(qū)域是并聯(lián)穩(wěn)壓器中的IC。它需要三個(gè)外部電阻。內(nèi)置晶體管作為可變電阻進(jìn)行工作，因此I_K＋I(xiàn)_OUT＝I_IN＝常數(shù)。其結(jié)果是，在R_SD處產(chǎn)生的電壓變?yōu)楹愣ǎ⑶逸敵鲭妷鹤優(yōu)楹愣妷?。但除了輸出電流外，還需要通過晶體管的陰極電流。此外，在輸入側(cè)電阻R_SD處存在電壓降，這將降低效率。它用于低電流（~20mA）應(yīng)用，比如開關(guān)電源參考電壓和開關(guān)電源光耦驅(qū)動(dòng)電路。

圖4  串聯(lián)穩(wěn)壓器

圖 5  并聯(lián)穩(wěn)壓器

電源管理芯片對電子系統(tǒng)而言是不可或缺的，其性能的優(yōu)劣對整機(jī)的性能有著直接的影響。在電源管理IC（下）中我們將為大家介紹開關(guān)穩(wěn)壓器和LDO等相關(guān)的知識。