電源管理芯片工作原理和應(yīng)用

本文主要是關(guān)于電源管理芯片的相關(guān)介紹，并著重對(duì)電源管理芯片進(jìn)行了詳盡的闡述。

電源管理芯片

電源管理芯片（Power Management Integrated Circuits），是在電子設(shè)備系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)起對(duì)電能的變換、分配、檢測(cè)及其他電能管理的職責(zé)的芯片。主要負(fù)責(zé)識(shí)別CPU供電幅值，產(chǎn)生相應(yīng)的短矩波，推動(dòng)后級(jí)電路進(jìn)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(jīng)典的電源管理芯片，由著名芯片設(shè)計(jì)公司Intersil設(shè)計(jì)。它支持兩/三/四相供電，支持VRM9.0規(guī)范，電壓輸出范圍是1.1V-1.85V，能為0.025V的間隔調(diào)整輸出，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)80KHz，具有電源大、紋波小、內(nèi)阻小等特點(diǎn)，能精密調(diào)整CPU供電電壓。

應(yīng)用范圍

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)。

當(dāng)今世界，人們的生活已是片刻也離不開(kāi)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(cè)及其它電能管理的職責(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。

提高性能

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(shì)發(fā)展，電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的減小而線性增加，如果電源電壓還是原來(lái)的5V，產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度足以把芯片擊穿。所以，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(kāi)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(kāi)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(shì)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(guò)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?jiàn)，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。

選擇因素

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(cè)，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(kāi)關(guān)電源芯片、LCD驅(qū)動(dòng)芯片、LED驅(qū)動(dòng)芯片、電壓檢測(cè)芯片、電池充電管理芯片等。下面簡(jiǎn)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?。ㄈ?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/107/" target="_blank">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(jiǎn)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(chǎng)合，常應(yīng)用基于電容的開(kāi)關(guān)電源芯片，也就是通常所說(shuō)的電荷泵（Charge Pump）。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(guò)沖。AAT3113利用簡(jiǎn)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(guò)流、過(guò)溫、過(guò)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(guò)壓、過(guò)流、過(guò)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。

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。

常見(jiàn)電源管理IC芯片

在日常生活中，人們對(duì)電子設(shè)備的依賴越來(lái)越嚴(yán)重，電子技術(shù)的更新?lián)Q代，也同時(shí)意味著人們對(duì)電源的技術(shù)發(fā)展寄予厚望，下面就為大家介紹電源管理技術(shù)的主要分類。

電源管理半導(dǎo)體從所包含的器件來(lái)說(shuō)，明確強(qiáng)調(diào)電源管理集成電路（電源管理IC，簡(jiǎn)稱電源管理芯片）的位置和作用。電源管理半導(dǎo)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(dǎo)體器件。

在日常生活中，人們對(duì)電子設(shè)備的依賴越來(lái)越嚴(yán)重，電子技術(shù)的更新?lián)Q代，也同時(shí)意味著人們對(duì)電源的技術(shù)發(fā)展寄予厚望，下面就為大家介紹電源管理技術(shù)的主要分類。

電源管理半導(dǎo)體從所包含的器件來(lái)說(shuō)，明確強(qiáng)調(diào)電源管理集成電路（電源管理IC，簡(jiǎn)稱電源管理芯片）的位置和作用。電源管理半導(dǎo)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(dǎo)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(diào)整和接口電路兩方面。電壓凋整器包含線性低壓降穩(wěn)壓器（即LDO），以及正、負(fù)輸出系列電路，此外 不有脈寬調(diào)制（PWM）型的開(kāi)關(guān)型電路等。因技術(shù)進(jìn)步，集成電路芯片內(nèi)數(shù)字電路的物理尺寸越來(lái)越小，因而工作電源向低電壓發(fā)展，一系列新型電壓調(diào)整器應(yīng)運(yùn) 而生。電源管理用接口電路主要有接口驅(qū)動(dòng)器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）驅(qū)動(dòng)器以及高電壓/大電流的顯示驅(qū)動(dòng)器等等。

電源管理分立式半導(dǎo)體器件則包括一些傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)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(jié)構(gòu)的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。

在某種程度上來(lái)說(shuō)，正是因?yàn)殡娫垂芾鞩C的大量發(fā)展，功率半導(dǎo)體才改稱為電源管理半導(dǎo)體。也正是因?yàn)檫@么多的集成電路（IC）進(jìn)入電源領(lǐng)域，人們才更多地以電源管理來(lái)稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。

電源管理半導(dǎo)體本中的主導(dǎo)部分是電源管理IC，大致可歸納為下述8種。

1、AC/DC調(diào)制IC。內(nèi)含低電壓控制電路及高壓開(kāi)關(guān)晶體管。

2、DC/DC調(diào)制IC。包括升壓/降壓調(diào)節(jié)器，以及電荷泵。

3、功率因數(shù)控制PFC預(yù)調(diào)制 IC。提供具有功率因數(shù)校正功能的電源輸入電路。

4、脈沖調(diào)制或脈幅調(diào)制PWM/ PFM控制IC。為脈沖頻率調(diào)制和/或脈沖寬度調(diào)制控制器，用于驅(qū)動(dòng)外部開(kāi)關(guān)。

5、線性調(diào)制IC（如線性低壓降穩(wěn)壓器LDO等）。包括正向和負(fù)向調(diào)節(jié)器，以及低壓降LDO調(diào)制管。

6、電池充電和管理IC。包括電池充電、保護(hù)及電量顯示IC，以及可進(jìn)行電池?cái)?shù)據(jù)通訊“智能”電池 IC。

7、熱插板控制IC（免除從工作系統(tǒng)中插入或拔除另一接口的影響）。

8、MOSFET或IGBT的開(kāi)關(guān)功能ic。

在這些電源管理IC中，電壓調(diào)節(jié)IC是發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一部分。各種電源管理IC基本上和一些相關(guān)的應(yīng)用相聯(lián)系，所以針對(duì)不同應(yīng)用，還可以列出更多類型的器件。

電源管理的技術(shù)趨勢(shì)是高效能、低功耗、智能化。

提高效能涉及兩個(gè)不同方面的內(nèi)容：一方面想要保持能量轉(zhuǎn)換的綜合效率，同時(shí)還希望減小設(shè)備的尺寸;另一方面是保護(hù)尺寸不變，大幅度提高效能。

在交流/直流（AC/DC）變換中，低的通態(tài)電阻，符合計(jì)算機(jī)和電信應(yīng)用中更加高效適配器和電源的需要。在電源電路設(shè)計(jì)方面，一般待機(jī)能耗已經(jīng)降到1W以下，并可將電源效率提高至90%以上。要進(jìn)一步降低現(xiàn)有待機(jī)能耗，則需要有新的IC制造工藝技術(shù)及在低功耗電路設(shè)計(jì)方面的突破。

電源管理IC應(yīng)用的細(xì)分化

與邏輯芯片和內(nèi)存芯片不同，電源管理芯片在眾多種類的芯片中并沒(méi)有那么知名，但隨著智能化理念深入生活的方方面面，各類終端產(chǎn)品有了更高的應(yīng)用需求，對(duì)于電源管理芯片的要求也就隨之提高了。

以手機(jī)為例，智能手機(jī)由許多不同功能的模塊組成，每個(gè)模塊所需供電電壓各不相同，由鋰電池直接供電無(wú)法滿足各模塊要求，因此需要一個(gè)高效率電源管理芯片，把鋰電池提供的電壓用不同方法按照需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)，達(dá)到期望的電壓值，以滿足各個(gè)模塊的需要。例如，SDRAM、閃存（Flash Memory）等數(shù)字電路由于受到制造工藝的限制，需要較低的供電電壓；而模擬電路、射頻電路和顯示部分則需要一個(gè)較高的供電電壓。此外，電源管理IC還需要根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各個(gè)模塊的供電電壓值，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，減小功耗，從而提高系統(tǒng)的效率，縮小產(chǎn)品體積，降低成本。因此，電源管理IC已經(jīng)成為電子產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)最基本也是最重要的部分。

隨著應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，電源管理IC的市場(chǎng)也呈現(xiàn)出需求多樣化，應(yīng)用細(xì)分化，更多高性能電源管理IC的市場(chǎng)需求也不斷深化擴(kuò)展，更好地為滿足系統(tǒng)創(chuàng)新，性能提升而服務(wù)。截止2016年，手機(jī)電源管理芯片市場(chǎng)年復(fù)合增長(zhǎng)率（CAGR）為11.7%移動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施為13.1%，數(shù)字機(jī)頂盒為12.3%。2014-2020年，中國(guó)電源管理芯片年均增長(zhǎng)率將近8.4%，至2020年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)1200億元左右。

結(jié)語(yǔ)

關(guān)于電源管理芯片的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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