בפרק זה תלמדו את יסודות ניהול צריכת החשמל, כולל סוגי עיצובי המעגלים הנדרשים עבור יישומים שונים. תלמדו גם מהו מעגל משולב לניהול צריכת חשמל (PMIC) ומדוע מעגלי PMIC רב-תכליתיים של ימינו יכולים להחליף סוגים שונים של וסת מתח.

         
לשלוט בידע הבסיסי באספקת חשמל
     

סוג תת-מערכת ניהול צריכת החשמל DC הנדרשת על ידי מכשיר או מערכת אלקטרונית מסוימים תלוי במקור הכוח של המכשיר או המערכת. מקורות כוח אפשריים כוללים AC, סוללות, DC ו-DC בעל הספק נמוך במיוחד (קצירת אנרגיה). הרוב המכריע של מוצרי האלקטרוניקה המופעלים על ידי סוללות משתמש בסוללות ליתיום-יון (Li-ion) או ליתיום-פולימר (LiPo). חבילת סוללות עשויה להכיל מספר תאים המחוברים בטור או במקביל. איור 1-1 הוא מספר דוגמאות.

להלן ביצועי המתח והזרם עבור כל תצורת חיבור:

• תאי סדרהזה יכול להגביר את המתח של חבילת הסוללה ולהגדיל את הקיבולת של חבילת הסוללה כולה.

• Batteries in parallelזה לא יכול להגביר את מתח חבילת הסוללה, אבל זה ישפר את יכולת בקרת הזרם ואת קיבולת הזרם של חבילת הסוללה כולה.

• סוללות טוריות ומקבילותזה יכול לשפר בו זמנית את יכולות בקרת המתח והזרם ואת קיבולת הזרם.

         

In some battery-powered applications, system components may not be able to use battery power directly. These components may require a lower or higher voltage to operate properly. During the charging and discharging process, the voltage of the battery will also change. A DC-DC converter can be used to monitor this unregulated battery input voltage and keep it stable. These converters are often called voltage regulators because they can increase, decrease, or regulate the voltage as needed (shown in Figure 1-2) and then provide the adjusted voltage to the system subcomponents.

וסתים DC-DC זמינים בגרסאות מבודדות ולא מבודדות, בהתאם לשאלה האם הארקת הקלט מחוברת לארקת הפלט:

• Isolated converterUsed to isolate input and output voltages, typically using transformers or capacitive power transmission.

• Non-isolated converterThere is a DC path connecting input ground and output ground, and the input and output ground connections are shared.

         

DC-DC voltage regulator classification
     

וסת מתח DC מחולקים לשתי קטגוריות בהתבסס על שיטת המרת המתח שבה משתמשים: וסתים ליניאריים ווסתים ממותגים. אלו שני סוגים בסיסיים של וסת מתח המשמשים במכשירים אלקטרוניים כגון מצלמות, טלפונים סלולריים, מכשירים לבישים ומחשבים. מהנדסי תכנון יבחרו את ווסת ה-DC המתאים לתכנון המערכת שלהם בהתבסס על מתח כניסה, מתח יציאה ועומס הזרם הנדרש.

רגולטור ליניארית
   

וסתים ליניאריים ממירים את מתח הקלט (V_IN) ממיר למתחי יציאה שונים (V_החוצה), using a linear component (i.e. resistive component) to regulate the output voltage V_החוצהמאפיינים כלליים של וסתים ליניאריים:

• לפזר אנרגיה חשמלית.

• לשימוש עם פסים בעלי זרם נמוך והספק נמוך.

• לא יעיל.

• עבור ספקי כוח בעלי רעש נמוך.

• The low ripple and low noise characteristics make it suitable for sensitive analog integrated circuits such as sensors, phase-locked loops, etc.

עבור וסתים ליניאריים, סוג חשוב אחד הוא וסת ליניארי בעל ירידה נמוכה (LDO)._INו- V_החוצהכאשר ההפרש קטן מאוד, LDO יכול להפיק V יציב ברציפות._החוצה.

וסת מתח מיתוג
   

ווסת מיתוג ממיר V באמצעות רכיב מיתוג_INto a different V_החוצה, and use external inductors and capacitors to stabilize the output voltage V_החוצהוסתים מיתוגיים בדרך כלל יעילים יותר ותומכים בזרמי יציאה גבוהים יותר מווסתים ליניאריים. אך עדיין יש אדוות או רעש מיתוג לאחר ויסות היציאה, אפילו לאחר סינון.

בהתאם לקשר בין מתח הקלט למתח המוצא, וסתי מיתוג מסווגים כדלקמן:

• ווסת מיתוג Buck: V_החוצה מתחת ל-V_IN

• ווסת מיתוג בוסט: V_החוצה מעל V_IN

• ווסת מיתוג Buck-Boost: V_החוצה Variable, can be below, above, or equal to V_IN

אלו הן ארבע הטופולוגיות הנ"ל של וסת מתח הנמצאות בשימוש נפוץ על ידי מהנדסי תכנון? LDO ושלושה וסת מיתוג (buck, boost, buck-boost). בסעיפים הבאים, נציג את ארבעת וסת המתח הללו בפירוט.

וסת מתח LDO
   

וסת ליניארי בעל נפילת הספק נמוכה (low dropout) הוא וסת ליניארי DC המווסת את רמת מתח המוצא כאשר מתח האספקה ​​ומתח המוצא קרובים מאוד. עבור LDOs, נפילת המתח צריכה להיות קטנה ככל האפשר כדי למזער את פיזור ההספק ולמקסם את יעילות המערכת (כפי שמוצג באיור 1-3).

         

LDOs typically have a higher power supply rejection ratio (PSRR) than switching regulators, meaning the LDO can generate a low-noise output voltage. LDOs generally do not produce any ripple and are very useful in reducing input supply noise or ripple. The LDO's low standby current consumption makes it an excellent solution for portable and wireless applications.

Buck converter
   

כאן באקפירושו "להנמיך" או "להחליש". ממיר ה-buck הוא ווסת מיתוג מצומצם שמפיק ביעילות פחות מ-V_IN 的 V_החוצה. A buck circuit contains an inductor, a switching field-effect transistor (FET) or diode, a capacitor, and an error amplifier with a switching control circuit (shown in Figure 1-4). The buck converter changes the turn-on time of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) and then applies power to the sensor. Buck converters have high efficiency because the MOSFET is either fully on or fully off. Between the on and off (impedance) states, a buck converter does not operate, unlike a linear regulator.

         

ממיר ה-buck מייצר צורות גל מיתוג במצב אפנון רוחב פולס (PWM) או במצב אפנון תדר פולס (PFM), אשר לאחר מכן מסוננות באמצעות רכיבי מסנן סלילים וקבלים חיצוניים כדי לייצר מתח יציאה חלק V_{הַחוּצָה.}This voltage conversion method is very efficient and can extend battery life, reduce system heat, and reduce product size.

Buck converters are used in many applications that draw power from USB and other computer peripherals. It is also used in smartphones, tablets, mobile devices, and many other electronic devices.

ממיר בוסט
   

לְהַגבִּיר כאן פירוש הדבר הוא "משופר". ממיר הדחיפה הופך ל-V_INrises, producing V_החוצהלדוגמה, כאשר ברצונך להמיר מתח כניסה DC של 3.3 וולט למתח יציאה של 5.0 וולט וולט_החוצהממיר בוסט יהיה שימושי. פעולת בוסט זו נפוצה ביישומי סוללות ליתיום-יון או ליתיום-פולימר רבים.

מעגל בוסט מכיל את אותם רכיבים כמו מעגל בוסט (משרן, טרנזיסטור אפקט שדה ממותג [FET] או דיודה, קבל, מגבר שגיאה עם מעגל בקרת מיתוג) אך יש לו חיבורים שונים. מעגל הבוסט פועל גם על ידי שליטה בזמן ההפעלה של ה-MOSFET כדי להפעיל חשמל על המשרן. (כפי שמוצג באיור 1-5).

         

ממיר Buck-Boost
   

ממיר buck-boost הוא ממיר מיתוג המשלב buck ו-boost בווסת יחיד. הוא יכול להתמודד עם מגוון רחב של מתחי קלט ופלט. מעגל הבקרה מתאים את זמן המיתוג של ה-MOSFET, מפחית או מגביר את מתח הקלט ומייצר V לפי הצורך._החוצה(As shown in Figure 1-6).

         

בנוסף לסוג ה-buck-boost הסטנדרטי המוצג באיור 1-6, קיימים סוגים נוספים של ממירים מסוג buck-boost כגון Sepic, Cuk ו-Zeta. ממירים אלה יכולים לווסת את V_החוצה, מה שהופך אותו נמוך מ-, גבוה מ- או שווה ל- V_IN.

מבוא למעגלים משולבים לניהול צריכת חשמל
     

PMIC הוא מעגל משולב המשמש להמרת מתח, ייצוב מתח וניהול סוללה. הם יכולים לטפל ברצף מערכות חשמל, להפעיל מגוון עומסים ולספק הגנה מפני מתח יתר, תת-מתח, זרם יתר, תקלות תרמיות ועוד.

מעגל משולב יחיד יכול לנהל מספר ספקי כוח חיצוניים, ולמפות דרישות מערכת שונות למתח המוצא המתאים של הרגולטור. ניתן להשתמש בהם גם במגוון מעבדים, בקרי מערכת ויישומי קצה על ידי שינוי פשוט של הגדרות הרישום או הקושחה הרלוונטיות מבלי לעצב מחדש מעגל משולב (IC) חדש.

שוק ה-PMIC צומח במהירות הודות למספר מגמות עכשוויות. מגמה אחת היא חתירתם של הצרכנים לניידות אלחוטית, אשר הביאה לביקוש גדול למכשירים קטנים המופעלים על ידי סוללות, מה שבתורו דורש פתרונות ניהול צריכת חשמל משולבים יותר, כפי שמוצג באיור 1-7. איור זה מראה כיצד פתרון ה-PMIC של Qorvo מפחית משמעותית את מספר הרכיבים ואת גודל הפתרון הכולל.

         

במקביל, צרכנים ויצרנים דורשים יותר ויותר מוצרים חוסכי אנרגיה, ידידותיים לסביבה ומפחיתים פליטות פחמן. המגמה ה"ירוקה" העולמית הגבירה את הביקוש למוצרים אלקטרוניים המצוידים בניהול צריכת חשמל יעיל, מה שהופך את ניהול צריכת החשמל לתכונה חשובה ופופולרית מאוד.

PMIC הכל-באחד
     

סיבה חשובה לכך ש-PMICs נמצאים בשימוש נרחב כיום היא שהם יכולים לספק פונקציות רבות או אפילו את כל ויסות המתח ביישום (כפי שמוצג באיור 1-8). ניתן להתאים אישית PMICs רב-תכליתיים אלה באמצעות קושחה עבור יישומים רבים ושונים, ובכך לבטל את העלות הגבוהה של שינויים במעגלי חומרה. תכונות אלו מאפשרות להם לעבור בצורה חלקה בין יישומים, ובכך לקצר את זמן ההגעה לשוק.

         

Disclaimer: This article is reproduced from "Xincunshe", which supports the protection of intellectual property rights. Please indicate the original source and author when reprinting. If there is any infringement, please contact us to delete it.

מספר טלפון של החברה: 86-0755-83044319+
פקס/פקס: 86-0755-83975897+
דוא"ל: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 מנהל לי

QQ: 332496225 מנהל Qiu

כתובת: חדר 809, בניין C, בניין הטכנולוגיה ז'אנטאו, שדרת מינגז'י מס' 1079, רובע לונגהואה החדש, שנזן