詳解電源管理芯片的選型指南

電源管理通過一定的電路拓?fù)?，將不同?a target="_blank">電源輸入轉(zhuǎn)換成滿足系統(tǒng)工作需要的輸出電壓。電源直接影響著系統(tǒng)性能，而決定電源性能的關(guān)鍵元件是電源管理芯片(PMIC)，了解電源管理芯片(PMIC)的選擇準(zhǔn)則非常有必要。

了解電源使用要求

要選擇適當(dāng)?shù)碾娫垂芾碓?，首先?yīng)了解應(yīng)用環(huán)境條件，如系統(tǒng)的輸入和輸出參數(shù)等，這些考慮因素包括：

電源輸入是交流(AC)、直流(DC)?

直接電源時，是USB供電，還是電池供電?

輸入電壓是高于或低于所需的輸出電壓?

所需的負(fù)載電流是多少?

負(fù)載是否對噪聲敏感，或需恒流(如LED的應(yīng)用)，又或是變化較大的電流?

安裝空間?在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的功率。

不同的應(yīng)用有各自特殊需求，需要采用對應(yīng)的電源轉(zhuǎn)換方案和相匹配的電源管理IC，這些常見的IC有低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器等。其中，DC/DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器包括降壓轉(zhuǎn)換器(Buck)、升壓轉(zhuǎn)換器(Boost)、升/降壓轉(zhuǎn)換器(Buck-boost)三種。

常見電源轉(zhuǎn)換方案對比

電路設(shè)計時，首先考慮的是輸入 - 輸出的電壓差(VIN - VOUT)。其次，根據(jù)應(yīng)用的特殊需求，如效率、散熱限制、噪聲、復(fù)雜度和成本等都必要條件，選擇最適合的電源管理芯片(IC)。

當(dāng)VOUT小于VIN時的選擇考慮

當(dāng)VOUT小于VIN，所需輸出電流和VIN / VOUT比是考慮選擇LDO或Buck的重要因素。

(1)低VIN / VOUT應(yīng)用選擇LDO

LDO線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Linera Regulator)以線性方式控制導(dǎo)通元件的導(dǎo)通，以調(diào)節(jié)輸出電壓，提供準(zhǔn)確且無噪聲的輸出電壓，能快速因應(yīng)輸出端的負(fù)載變化。因此，非常適合需要低噪聲、低電流及低VIN / VOUT應(yīng)用。

在選擇LDO時，須考慮輸入和輸出電壓的范圍、LDO的電流大小和封裝的散熱能力。LDO電壓差是指在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，VIN - VOUT的最小電壓。

在微功率應(yīng)用中，如需靠單一電池供電很多年之應(yīng)用，LDO靜態(tài)電流IQ必須夠低，以減少電池不必要的消耗;而這類應(yīng)用就需要特殊的、具低靜態(tài)電流IQ之低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)。

然而，線性調(diào)節(jié)意謂著輸入輸出的電壓差乘上平均負(fù)載電流就是線性穩(wěn)壓器導(dǎo)通元件所消耗的功率。高VIN / VOUT比與高負(fù)載電流都會導(dǎo)致過多額外的功率損耗。而功率消耗較高的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)需要較大的封裝尺寸，這會增加成本、PCB板空間和熱能消耗。

LDO基本電路示意圖

當(dāng)LDO功耗超過~0.8W時，較明智的作法是改采Buck降壓轉(zhuǎn)換器作為替代方案。

(2)VIN / VOUT較高時選擇Buck降壓轉(zhuǎn)換器

Buck降壓轉(zhuǎn)換器(buck regulator)是一種開關(guān)式降壓轉(zhuǎn)換器，可在較高的VIN / VOUT比和較高的負(fù)載電流之下，提供高效率和高彈性的輸出。由于用途廣泛，降壓轉(zhuǎn)換器(Buck)還有降壓穩(wěn)壓器(buck regulator)、步降開關(guān)穩(wěn)壓器(DC-DC step-down switching regulator)兩個別稱，三者本質(zhì)上指的是同一產(chǎn)品。

大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器包含一個內(nèi)部高側(cè)MOSFET和一個低側(cè)作為同步整流器的MOSFET，借著內(nèi)部占空比控制電路來控制兩者的交替開、關(guān)(ON/OFF)以調(diào)節(jié)平均輸出電壓。切換造成的噪聲可由外部LC濾波器來過濾。

Buck轉(zhuǎn)換器基本電路示意圖

由于兩個MOSFET是交替開關(guān)(ON或OFF)，功率消耗非常小。通過控制占空比，可以產(chǎn)生較大VIN / VOUT比的輸出。內(nèi)部MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)決定了降壓轉(zhuǎn)換器的電流處理能力，而MOSFET的額定電壓決定最大輸入電壓。開關(guān)切換頻率與外部LC濾波器元件共同決定輸出端的紋波電壓大小;較高開關(guān)切換頻率之降壓轉(zhuǎn)換器所用之濾波元件可較小，但開關(guān)切換造成的功耗則會增加。

具脈沖跳躍模式(PSM)的降壓轉(zhuǎn)換器會在輕載時降低其開關(guān)切換頻率，從而提高輕載時的效率，此特性對需低功耗待機(jī)模式之應(yīng)用是非常重要的。

有些特殊降壓型架構(gòu)，如ACOT具有非?？斓幕芈讽憫?yīng)，非常適合需要非?？焖俚呢?fù)載瞬態(tài)反應(yīng)，如DDR、Core SoC、FPGA和SIC等的電源應(yīng)用。

VOUT高于VIN時選擇升壓轉(zhuǎn)換器

升壓轉(zhuǎn)換器(boost regulator)用于VOUT高于VIN應(yīng)用，將輸入電壓升至較高的輸出電壓。升壓轉(zhuǎn)換器操作原理是經(jīng)由內(nèi)部MOSFET對電感器充電，而當(dāng)MOSFET斷路時，透過至負(fù)載端之整流器將電感放電。電感充電轉(zhuǎn)為放電會使電感電壓變?yōu)榉聪?，從而升高輸出電壓使之高于VIN。

MOSFET開關(guān)的ON/OFF占空比將決定升壓比VOUT / VIN，并且反饋回路也控制占空比以維持穩(wěn)定的輸出電壓。輸出電容是緩沖元件，用來減小輸出電壓紋波。MOSFET電流絕對最大額定值和升壓比一起決定最大負(fù)載電流，而MOSFET電壓絕對最大額定值決定最大輸出電壓。有些升壓轉(zhuǎn)換器則會將整流器以MOSFET整合于內(nèi)部，達(dá)到同步整流之功效。

升壓轉(zhuǎn)換器基本電路示意圖

輸入電壓不確定時選擇升-降壓轉(zhuǎn)換器

升-降壓轉(zhuǎn)換器(boost-buck regulator)用于輸入電壓可能會改變，可低于或高于輸出電壓之應(yīng)用。當(dāng)VIN高于VOUT時，四個內(nèi)部的MOSFET開關(guān)將自動配置成降壓轉(zhuǎn)換器，而當(dāng)VIN低于VOUT時則轉(zhuǎn)為升壓操作模式。這使得升-降壓轉(zhuǎn)換器非常適合以電池作為供電之應(yīng)用，特別是當(dāng)電池電壓低于調(diào)節(jié)輸出電壓值時，得以延長電池使用時間。因?yàn)樗拈_關(guān)升-降壓轉(zhuǎn)換器是完全同步的操作模式，故可達(dá)較高的效率。降壓模式時的輸出電流能力比升壓模式時高;因?yàn)樵谙嗤呢?fù)載條件下，升壓模式需要較高的開關(guān)電流。

MOSFET的電壓絕對最大額定值將決定最大輸入和輸出電壓范圍。在輸出電壓不需要參考接地的應(yīng)用中，如LED驅(qū)動器，可使用只有單開關(guān)和整流器的升-降壓轉(zhuǎn)換器。在大多數(shù)情況下，輸出電壓參考VIN。

有四個內(nèi)部開關(guān)的升降壓轉(zhuǎn)換器

多數(shù)電源管理元件都是使用上述四個轉(zhuǎn)換器架構(gòu)其中一種。針對一些特殊應(yīng)用，如需要非常大開關(guān)電流(如>10A)，可考慮外部MOSFET模式。如需要監(jiān)控電源過壓或欠壓等情形，可使用專用電源監(jiān)控IC。

審核編輯：湯梓紅