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電源管理芯片常見分類及其基礎介紹

電子設計 ? 來源:電子設計 ? 作者:電子設計 ? 2020-10-29 18:45 ? 次閱讀

電源管理芯片

電源管理芯片(Power Management Integrated Circuits),是在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的芯片。

主要負責識別 CPU 供電幅值,產生相應的短矩波,推動后級電路進行功率輸出。常用電源管理芯片有 HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494 等。

基本類型

主要電源管理芯片有的是雙列直插芯片,而有的是表面貼裝式封裝,其中 HIP630x 系列芯片是比較經典的電源管理芯片,由著名芯片設計公司 Intersil 設計。

它支持兩 / 三 / 四相供電,支持 VRM9.0 規范,電壓輸出范圍是 1.1V-1.85V,能為 0.025V 的間隔調整輸出,開關頻率高達 80KHz,具有電源大、紋波小、內阻小等特點,能精密調整 CPU 供電電壓。

常見電源管理 IC 芯片

在日常生活中,人們對電子設備的依賴越來越嚴重,電子技術的更新換代,也同時意味著人們對電源的技術發展寄予厚望,下面就為大家介紹電源管理技術的主要分類。

電源管理半導體從所包含的器件來說,明確強調電源管理集成電路(電源管理 IC,簡稱電源管理芯片)的位置和作用。電源管理半導體包括兩部分,即電源管理集成電路和電源管理分立式半導體器件。

在日常生活中,人們對電子設備的依賴越來越嚴重,電子技術的更新換代,也同時意味著人們對電源的技術發展寄予厚望,下面就為大家介紹電源管理技術的主要分類。

電源管理半導體從所包含的器件來說,明確強調電源管理集成電路(電源管理 IC,簡稱電源管理芯片)的位置和作用。電源管理半導體包括兩部分,即電源管理集成電路和電源管理分立式半導體器件。

電源管理集成電路包括很多種類別,大致又分成電壓調整和接口電路兩方面。電壓凋整器包含線性低壓降穩壓器(即 LDO),以及正、負輸出系列電路,此外 不有脈寬調制(PWM)型的開關型電路等。

因技術進步,集成電路芯片內數字電路的物理尺寸越來越小,因而工作電源向低電壓發展,一系列新型電壓調整器應運而生。

電源管理用接口電路主要有接口驅動器、馬達驅動器、功率場效應晶體管MOSFET)驅動器以及高電壓 / 大電流的顯示驅動器等等。

電源管理分立式半導體器件則包括一些傳統的功率半導體器件,可將它分為兩大類,一類包含整流器和晶閘管;另一類是三極管型,包含功率雙極性晶體管,含有 MOS 結構的功率場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。

在某種程度上來說,正是因為電源管理 IC 的大量發展,功率半導體才改稱為電源管理半導體。

也正是因為這么多的集成電路(IC)進入電源領域,人們才更多地以電源管理來稱呼現階段的電源技術

電源管理半導體本中的主導部分是電源管理 IC,大致可歸納為下述 8 種。
1、AC/DC 調制 IC,內含低電壓控制電路高壓開關晶體管;
2、DC/DC 調制 IC,包括升壓 / 降壓調節器,以及電荷泵;
3、功率因數控制 PFC 預調制 IC,提供具有功率因數校正功能的電源輸入電路;
4、脈沖調制或脈幅調制 PWM/ PFM 控制 IC,為脈沖頻率調制和 / 或脈沖寬度調制控制器,用于驅動外部開關;
5、線性調制 IC(如線性低壓降穩壓器 LDO 等),包括正向和負向調節器,以及低壓降 LDO 調制管;
6、電池充電和管理 IC。包括電池充電、保護及電量顯示 IC,以及可進行電池數據通訊“智能”電池 IC;
7、熱插板控制 IC(免除從工作系統中插入或拔除另一接口的影響);
8、MOSFET 或 IGBT 的開關功能 ic。

在這些電源管理 IC 中,電壓調節 IC 是發展最快、產量最大的一部分。各種電源管理 IC 基本上和一些相關的應用相聯系,所以針對不同應用,還可以列出更多類型的器件。

電源管理的技術趨勢是高效能、低功耗、智能化。

提高效能涉及兩個不同方面的內容:一方面想要保持能量轉換的綜合效率,同時還希望減小設備的尺寸;另一方面是保護尺寸不變,大幅度提高效能。

選擇因素

電源管理的范疇比較廣,既包括單獨的電能變換(主要是直流到直流,即 DC/DC),單獨的電能分配和檢測,也包括電能變換和電能管理相結合的系統。

相應的,電源管理芯片的分類也包括這些方面,比如線性電源芯片、電壓基準芯片、開關電源芯片、LCD 驅動芯片LED 驅動芯片、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用情況。

如果所設計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(如手機等手持電子產品),電路電源不允許使用電感器(如手機),電源需要具有瞬時校準和輸出狀態自檢功能,要求穩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的選擇。

這種電源包括如下的技術:精密的電壓基準,高性能、低噪音的運放,低壓降調整管,低靜態電流。

在小功率供電、運放負電源、LCD/LED 驅動等場合,常應用基于電容的開關電源芯片,也就是通常所說的電荷泵(Charge Pump)。

基于電荷泵工作原理的芯片產品很多,比如 AAT3113,這是一種由低噪聲、恒定頻率的電荷泵 DC/DC 轉換器構成的白光 LED 驅動芯片。

AAT3113 采用分數倍(1.5×)轉換以提高效率,該器件采用并聯方式驅動 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特性,以保護任何輸出引腳所出現的短路。其嵌入的軟啟動電路可防止啟動時的電流過沖,AAT3113 利用簡單串行控制接口對芯片進行使能、關斷和 32 級對數刻度亮度控制。

而基于電感的 DC/DC 芯片的應用范圍最廣泛,應用包括掌上電腦、相機、備用電池、便攜式儀器、微型電話、電動機速度控制、顯示偏置和顏色調整器等。

主要的技術包括:BOOST 結構電流模式環路穩定性分析,BUCK 結構電壓模式環路穩定性分析,BUCK 結構電流模式環路穩定性分析,過流、過溫、過壓和軟啟動保護功能,同步整流技術分析,基準電壓技術分析。

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、短路保護芯片。

在線路供電和備用電池之間進行切換管理的芯片,USB 電源管理芯片;電荷泵,多路 LDO 供電,加電時序控制,多種保護,電池充放電管理的復雜電源芯片等。

特別是在消費類電子方面。比如便攜式 DVD、手機、數碼相機等,幾乎用 1 塊 -2 塊電源管理芯片就能夠提供復雜的多路電源,使系統的性能發揮到最佳。

應用范圍
電源管理芯片的應用范圍十分廣泛,發展電源管理芯片對于提高整機性能具有重要意義,對電源管理芯片的選擇與系統的需求直接相關,而數字電源管理芯片的發展還需跨越成本難關。

當今世界,人們的生活已是片刻也離不開電子設備。

電源管理芯片在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其它電能管理的職責。電源管理芯片對電子系統而言是不可或缺的,其性能的優劣對整機的性能有著直接的影響。

提高性能

所有電子設備都有電源,但是不同的系統對電源的要求不同。為了發揮電子系統的最佳性能,需要選擇最適合的電源管理方式。

首先,電子設備的核心是半導體芯片。

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展,電場強度隨距離的減小而線性增加,如果電源電壓還是原來的 5V,產生的電場強度足以把芯片擊穿。

所以,這樣,電子系統對電源電壓的要求就發生了變化,也就是需要不同的降壓型電源。為了在降壓的同時保持高效率,一般會采用降壓型開關電源。

同時,許多電子系統還需要高于供電電壓的電源,比如在電池供電設備中,驅動液晶顯示的背光電源,普通的白光 LED 驅動等,都需要對系統電源進行升壓,這就需要用到升壓型開關電源。

此外,現代電子系統正在向高速、高增益、高可靠性方向發展,電源上的微小干擾都對電子設備的性能有影響,這就需要在噪聲、紋波等方面有優勢的電源,需要對系統電源進行穩壓、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,可以通過相應的電源芯片,結合極少的外圍元件,就能夠實現??梢?,發展電源管理芯片是提高整機性能的必不可少的手段。

審核編輯 黃昊宇

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