در این فصل، اصول اولیه مدیریت توان، از جمله انواع طراحی مدار مورد نیاز برای کاربردهای مختلف را خواهید آموخت. همچنین خواهید آموخت که مدار مجتمع مدیریت توان (PMIC) چیست و چرا PMIC های همه کاره امروزی می‌توانند جایگزین انواع مختلف تنظیم کننده‌های ولتاژ شوند.

         
تسلط بر دانش پایه منبع تغذیه
     

نوع زیرسیستم مدیریت توان DC مورد نیاز یک دستگاه یا سیستم الکترونیکی خاص، به منبع تغذیه دستگاه یا سیستم بستگی دارد. منابع تغذیه ممکن شامل AC، باتری، DC و DC با توان بسیار کم (برداشت انرژی) هستند. اکثریت قریب به اتفاق لوازم الکترونیکی باتری‌دار از باتری‌های لیتیوم-یون (Li-ion) یا لیتیوم-پلیمر (LiPo) استفاده می‌کنند. یک بسته باتری ممکن است شامل چندین سلول متصل به صورت سری یا موازی باشد. شکل 1-1 چند نمونه از این موارد است.

در اینجا عملکرد ولتاژ و جریان برای هر پیکربندی اتصال آورده شده است:

• سلول‌های سریاین می‌تواند ولتاژ بسته باتری را افزایش داده و ظرفیت کل بسته باتری را افزایش دهد.

• باتری‌های موازیاین نمی‌تواند ولتاژ باتری را افزایش دهد، اما قابلیت کنترل جریان و ظرفیت جریان کل باتری را بهبود می‌بخشد.

• باتری‌های سری و موازیمی‌تواند همزمان قابلیت‌های کنترل ولتاژ و جریان و ظرفیت جریان را بهبود بخشد.

         

در برخی از کاربردهای باتری‌دار، اجزای سیستم ممکن است نتوانند مستقیماً از برق باتری استفاده کنند. این اجزا ممکن است برای عملکرد صحیح به ولتاژ پایین‌تر یا بالاتری نیاز داشته باشند. در طول فرآیند شارژ و دشارژ، ولتاژ باتری نیز تغییر خواهد کرد. می‌توان از یک مبدل DC-DC برای نظارت بر این ولتاژ ورودی تنظیم‌نشده باتری و حفظ پایداری آن استفاده کرد. این مبدل‌ها اغلب تنظیم‌کننده ولتاژ نامیده می‌شوند زیرا می‌توانند ولتاژ را در صورت نیاز افزایش، کاهش یا تنظیم کنند (در شکل 1-2 نشان داده شده است) و سپس ولتاژ تنظیم‌شده را در اختیار اجزای فرعی سیستم قرار دهند.

رگولاتورهای DC-DC بسته به اینکه آیا زمین ورودی به زمین خروجی متصل است یا خیر، در نسخه‌های ایزوله و غیر ایزوله موجود هستند:

• مبدل ایزولهبرای ایزوله کردن ولتاژهای ورودی و خروجی، معمولاً با استفاده از ترانسفورماتورها یا انتقال توان خازنی استفاده می‌شود.

• مبدل غیر ایزولهیک مسیر DC وجود دارد که زمین ورودی و زمین خروجی را به هم متصل می‌کند و اتصالات زمین ورودی و خروجی مشترک هستند.

         

طبقه بندی تنظیم کننده ولتاژ DC-DC
     

رگولاتورهای ولتاژ DC بر اساس روش تبدیل ولتاژ مورد استفاده به دو دسته تقسیم می‌شوند: رگولاتورهای خطی و رگولاتورهای سوئیچینگ. این دو نوع اساسی رگولاتورهای ولتاژ هستند که در دستگاه‌های الکترونیکی مانند دوربین‌ها، تلفن‌های همراه، پوشیدنی‌ها و رایانه‌ها استفاده می‌شوند. مهندسان طراح، رگولاتور DC مناسب را برای طراحی سیستم خود بر اساس ولتاژ ورودی، ولتاژ خروجی و بارگذاری جریان مورد نیاز انتخاب می‌کنند.

رگولاتور خطی
   

تنظیم‌کننده‌های خطی ولتاژ ورودی (V) را تبدیل می‌کنند._IN) به ولتاژهای خروجی مختلف (V) تبدیل می‌شود._OUT) ، با استفاده از یک مولفه خطی (یعنی مولفه مقاومتی) برای تنظیم ولتاژ خروجی V_OUTمشخصات کلی رگولاتورهای خطی:

• انرژی الکتریکی را هدر دهید.

• برای استفاده با ریل‌های جریان کم و توان پایین.

• کارآمد نیست.

• برای منابع تغذیه کم صدا.

• مشخصه‌های ریپل و نویز کم، آن را برای مدارهای مجتمع آنالوگ حساس مانند حسگرها، حلقه‌های قفل فاز و غیره مناسب می‌کند.

برای رگولاتورهای خطی، یک نوع مهم، رگولاتور خطی با افت ولتاژ پایین (LDO) است. در V_INو V_OUTوقتی اختلاف خیلی کم باشد، LDO می‌تواند به طور مداوم خروجی پایدار V داشته باشد._OUT.

تنظیم کننده ولتاژ سوئیچینگ
   

یک رگولاتور سوئیچینگ، ولتاژ (V) را از طریق یک عنصر سوئیچینگ تبدیل می‌کند._INبه یک V متفاوت_OUTو از سلف‌ها و خازن‌های خارجی برای تثبیت ولتاژ خروجی V استفاده کنید._OUTرگولاتورهای سوئیچینگ معمولاً کارآمدتر هستند و جریان‌های خروجی بالاتری را نسبت به رگولاتورهای خطی پشتیبانی می‌کنند. اما حتی پس از فیلتر کردن، هنوز هم ریپل یا نویز سوئیچینگ وجود دارد.

با توجه به رابطه بین ولتاژ ورودی و خروجی، رگولاتورهای سوئیچینگ به شرح زیر طبقه‌بندی می‌شوند:

• رگولاتور سوئیچینگ باک: V_OUT زیر V_IN

• رگولاتور سوئیچینگ بوست: V_OUT بالاتر از V_IN

• رگولاتور سوئیچینگ باک-بوست: V_OUT متغیر، می‌تواند پایین‌تر، بالاتر یا مساوی V باشد_IN

موارد فوق، چهار توپولوژی تنظیم‌کننده ولتاژ هستند که معمولاً توسط مهندسان طراح استفاده می‌شوند؟ LDO و سه تنظیم‌کننده سوئیچینگ (باک، بوست، باک-بوست). در بخش‌های بعدی، این چهار تنظیم‌کننده ولتاژ را با جزئیات معرفی خواهیم کرد.

تنظیم کننده ولتاژ LDO
   

رگولاتور خطی با افت ولتاژ کم، یک رگولاتور خطی DC است که سطح ولتاژ خروجی را هنگامی که ولتاژ تغذیه و ولتاژ خروجی بسیار نزدیک به هم هستند، تنظیم می‌کند. برای LDOها، افت ولتاژ باید تا حد امکان کوچک باشد تا اتلاف توان به حداقل و راندمان سیستم به حداکثر برسد (مطابق شکل 1-3).

         

LDOها معمولاً نسبت رد منبع تغذیه (PSRR) بالاتری نسبت به تنظیم‌کننده‌های سوئیچینگ دارند، به این معنی که LDO می‌تواند ولتاژ خروجی کم‌نویز تولید کند. LDOها معمولاً هیچ ریپل تولید نمی‌کنند و در کاهش نویز یا ریپل منبع تغذیه ورودی بسیار مفید هستند. مصرف جریان آماده به کار پایین LDO، آن را به یک راه‌حل عالی برای کاربردهای قابل حمل و بی‌سیم تبدیل می‌کند.

مبدل باک
   

اینجا کلیک نمایید جفتک انداختنبه معنای «کاهش دادن» یا «تضعیف کردن» است. مبدل باک یک رگولاتور سوئیچینگ کاهش یافته است که به طور موثر ولتاژی کمتر از V خروجی می‌دهد._IN 的 V_OUTیک مدار باک شامل یک سلف، یک ترانزیستور اثر میدانی سوئیچینگ (FET) یا دیود، یک خازن و یک تقویت‌کننده خطا با یک مدار کنترل سوئیچینگ است (در شکل 1-4 نشان داده شده است). مبدل باک زمان روشن شدن یک ترانزیستور اثر میدانی نیمه‌هادی اکسید فلزی (MOSFET) را تغییر می‌دهد و سپس برق را به سنسور اعمال می‌کند. مبدل‌های باک راندمان بالایی دارند زیرا MOSFET یا کاملاً روشن است یا کاملاً خاموش. بین حالت‌های روشن و خاموش (امپدانس)، یک مبدل باک برخلاف یک رگولاتور خطی کار نمی‌کند.

         

مبدل باک، شکل موج‌های سوئیچینگ را در حالت مدولاسیون پهنای پالس (PWM) یا مدولاسیون فرکانس پالس (PFM) تولید می‌کند که سپس با استفاده از اجزای فیلتر سلف و خازن خارجی فیلتر می‌شوند تا یک ولتاژ خروجی هموار V تولید شود._بیرون.این روش تبدیل ولتاژ بسیار کارآمد است و می‌تواند عمر باتری را افزایش دهد، گرمای سیستم را کاهش دهد و اندازه محصول را کوچک کند.

مبدل‌های باک در بسیاری از کاربردهایی که از USB و سایر لوازم جانبی کامپیوتر برق می‌گیرند، استفاده می‌شوند. همچنین در تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها، دستگاه‌های تلفن همراه و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی دیگر نیز کاربرد دارند.

مبدل بوست
   

بالا بردن در اینجا به معنی "تقویت شده" است. مبدل بوست V را می‌چرخاند._INافزایش می‌یابد و V تولید می‌کند_OUTبرای مثال، وقتی می‌خواهید ولتاژ ورودی ۳.۳ ولت DC را به ولتاژ خروجی ۵.۰ ولت V تبدیل کنید_OUT، یک مبدل بوست مفید خواهد بود. این عملیات بوست در بسیاری از کاربردهای باتری لیتیوم-یون یا لیتیوم-پلیمر رایج است.

یک مدار بوست شامل همان اجزای مدار باک (سلف، ترانزیستور اثر میدانی سوئیچینگ [FET] یا دیود، خازن، تقویت‌کننده خطا با مدار کنترل سوئیچینگ) است، اما اتصالات متفاوتی دارد. مدار بوست همچنین با کنترل زمان روشن شدن MOSFET برای اعمال توان به سلف کار می‌کند. (مطابق شکل 1-5).

         

مبدل Buck-Boost
   

مبدل باک-بوست، یک مبدل سوئیچینگ است که باک و بوست را در یک رگولاتور واحد ترکیب می‌کند. این مبدل می‌تواند طیف وسیعی از ولتاژهای ورودی و خروجی را مدیریت کند. مدار کنترل، زمان سوئیچینگ MOSFET را تنظیم می‌کند، ولتاژ ورودی را کاهش یا افزایش می‌دهد و در صورت نیاز V را تولید می‌کند._OUT(مطابق شکل ۱-۶).

         

علاوه بر نوع استاندارد باک-بوست که در شکل ۱-۶ نشان داده شده است، انواع دیگری از مبدل‌های باک-بوست مانند سپیک، کوک و زتا نیز وجود دارند. این مبدل‌ها می‌توانند ولتاژ را تنظیم کنند._OUTکه آن را کمتر، بیشتر یا مساوی V می‌کند_IN.

مقدمه‌ای بر مدارهای مجتمع مدیریت توان
     

PMIC یک مدار مجتمع است که برای تبدیل ولتاژ، تثبیت ولتاژ و مدیریت باتری استفاده می‌شود. آن‌ها می‌توانند توالی سیستم قدرت را مدیریت کنند، انواع بارها را تغذیه کنند و در برابر ولتاژ بیش از حد، ولتاژ کم، جریان بیش از حد، خطاهای حرارتی و موارد دیگر محافظت کنند.

یک PMIC واحد می‌تواند چندین منبع تغذیه خارجی را مدیریت کند و نیازهای مختلف سیستم را به ولتاژ خروجی رگولاتور مناسب نگاشت کند. همچنین می‌توان از آنها در انواع پردازنده‌ها، کنترل‌کننده‌های سیستم و کاربردهای نهایی با تغییر تنظیمات رجیستر مربوطه یا میان‌افزار بدون طراحی مجدد یک مدار مجتمع (IC) جدید استفاده کرد.

بازار PMIC به دلیل چندین روند فعلی به سرعت در حال رشد است. یکی از این روندها، تمایل مصرف‌کنندگان به تحرک بی‌سیم است که تقاضای زیادی برای دستگاه‌های کوچک باتری‌دار ایجاد کرده است، که به نوبه خود نیاز به راه‌حل‌های مدیریت توان بسیار یکپارچه‌تری را می‌طلبد، همانطور که در شکل 1-7 نشان داده شده است. این شکل نشان می‌دهد که چگونه راه‌حل PMIC شرکت Qorvo تعداد اجزا و اندازه کلی راه‌حل را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

         

در عین حال، مصرف‌کنندگان و تولیدکنندگان به طور فزاینده‌ای خواستار محصولاتی هستند که در مصرف انرژی صرفه‌جویی کنند، سازگار با محیط زیست باشند و انتشار کربن را کاهش دهند. روند جهانی «سبز» تقاضا برای محصولات الکترونیکی مجهز به مدیریت کارآمد انرژی را افزایش داده و مدیریت انرژی را به یک ویژگی بسیار مهم و محبوب تبدیل کرده است.

PMIC همه کاره
     

یکی از دلایل مهم استفاده گسترده از PMIC های امروزی این است که آنها می‌توانند بسیاری یا حتی همه عملکردهای تنظیم ولتاژ را در یک کاربرد برآورده کنند (همانطور که در شکل 1-8 نشان داده شده است). این PMIC های همه کاره را می‌توان از طریق میان‌افزار برای کاربردهای مختلف سفارشی کرد و هزینه بالای تغییرات مدار سخت‌افزار را از بین برد. این ویژگی‌ها به آنها اجازه می‌دهد تا به راحتی بین کاربردها جابجا شوند و در نتیجه زمان عرضه به بازار را کوتاه کنند.

         

سلب مسئولیت: این مقاله از "Xincunshe" کپی شده است که از حمایت از حقوق مالکیت معنوی حمایت می‌کند. لطفاً هنگام چاپ مجدد، منبع اصلی و نویسنده را ذکر کنید. در صورت وجود هرگونه نقض، لطفاً برای حذف آن با ما تماس بگیرید.

شماره تلفن شرکت: +86-0755-83044319
فکس/فکس: +86-0755-83975897
ایمیل: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 مدیر لی

QQ: 332496225 مدیر کیو

آدرس: اتاق ۸۰۹، ساختمان C، ساختمان فناوری ژانتائو، پلاک ۱۰۷۹ خیابان مینزی، منطقه جدید لونگهوا، شنژن