इस अध्याय में, आप पावर मैनेजमेंट की बुनियादी बातें सीखेंगे, जिनमें विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक सर्किट डिज़ाइन के प्रकार शामिल हैं। आप यह भी जानेंगे कि पावर मैनेजमेंट इंटीग्रेटेड सर्किट (PMIC) क्या है और आज के बहुमुखी PMIC विभिन्न प्रकार के वोल्टेज रेगुलेटरों की जगह क्यों ले सकते हैं।

         
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किसी विशिष्ट उपकरण या इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम के लिए आवश्यक डीसी पावर मैनेजमेंट सबसिस्टम का प्रकार उस उपकरण या सिस्टम के पावर स्रोत पर निर्भर करता है। संभावित पावर स्रोतों में एसी, बैटरी, डीसी और अल्ट्रा-लो पावर डीसी (एनर्जी हार्वेस्टिंग) शामिल हैं। बैटरी से चलने वाले अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक उपकरण लिथियम-आयन (Li-ion) या लिथियम पॉलीमर (LiPo) बैटरी का उपयोग करते हैं। एक बैटरी पैक में कई सेल श्रृंखला या समानांतर क्रम में जुड़े हो सकते हैं। चित्र 1-1 में कुछ उदाहरण दिए गए हैं।

प्रत्येक कनेक्शन कॉन्फ़िगरेशन के लिए वोल्टेज और करंट का प्रदर्शन इस प्रकार है:

• श्रृंखला कोशिकाएँयह बैटरी पैक के वोल्टेज को बढ़ा सकता है और पूरे बैटरी पैक की क्षमता को बढ़ा सकता है।

• समानांतर क्रम में लगी बैटरियांयह बैटरी पैक के वोल्टेज को नहीं बढ़ा सकता है, लेकिन यह पूरे बैटरी पैक की वर्तमान नियंत्रण क्षमता और वर्तमान क्षमता में सुधार करेगा।

• श्रृंखला और समानांतर बैटरियांयह एक साथ वोल्टेज और करंट नियंत्रण क्षमताओं और करंट क्षमता में सुधार कर सकता है।

         

कुछ बैटरी-चालित अनुप्रयोगों में, सिस्टम के घटक सीधे बैटरी की शक्ति का उपयोग नहीं कर सकते हैं। इन घटकों को ठीक से काम करने के लिए कम या अधिक वोल्टेज की आवश्यकता हो सकती है। चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, बैटरी का वोल्टेज भी बदलता रहता है। इस अनियमित बैटरी इनपुट वोल्टेज की निगरानी करने और इसे स्थिर रखने के लिए डीसी-डीसी कनवर्टर का उपयोग किया जा सकता है। इन कन्वर्टरों को अक्सर वोल्टेज रेगुलेटर कहा जाता है क्योंकि ये आवश्यकतानुसार वोल्टेज को बढ़ा, घटा या नियंत्रित कर सकते हैं (चित्र 1-2 में दिखाया गया है) और फिर सिस्टम के उपघटकों को समायोजित वोल्टेज प्रदान करते हैं।

इनपुट ग्राउंड को आउटपुट ग्राउंड से जोड़ा गया है या नहीं, इसके आधार पर डीसी-डीसी रेगुलेटर पृथक और गैर-पृथक संस्करणों में उपलब्ध हैं:

• पृथक कनवर्टरइनपुट और आउटपुट वोल्टेज को अलग करने के लिए उपयोग किया जाता है, आमतौर पर ट्रांसफार्मर या कैपेसिटिव पावर ट्रांसमिशन का उपयोग करके।

• गैर-पृथक कनवर्टरइनपुट ग्राउंड और आउटपुट ग्राउंड को जोड़ने वाला एक डीसी पथ है, और इनपुट और आउटपुट ग्राउंड कनेक्शन साझा किए जाते हैं।

         

डीसी-डीसी वोल्टेज रेगुलेटर वर्गीकरण
     

डीसी वोल्टेज रेगुलेटर को वोल्टेज रूपांतरण विधि के आधार पर दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है: लीनियर रेगुलेटर और स्विचिंग रेगुलेटर। ये दो बुनियादी प्रकार के वोल्टेज रेगुलेटर हैं जिनका उपयोग कैमरा, मोबाइल फोन, वियरेबल डिवाइस और कंप्यूटर जैसे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में किया जाता है। डिज़ाइन इंजीनियर इनपुट वोल्टेज, आउटपुट वोल्टेज और आवश्यक करंट लोडिंग के आधार पर अपने सिस्टम डिज़ाइन के लिए उपयुक्त डीसी रेगुलेटर का चयन करते हैं।

रैखिक नियामक
   

लीनियर रेगुलेटर इनपुट वोल्टेज (V) को परिवर्तित करते हैं_IN) विभिन्न आउटपुट वोल्टेज (V) में परिवर्तित होता है_बाहरआउटपुट वोल्टेज V को विनियमित करने के लिए एक रैखिक घटक (यानी प्रतिरोधक घटक) का उपयोग करना।_बाहरलीनियर रेगुलेटर की सामान्य विशेषताएं:

• विद्युत ऊर्जा का क्षय करना।

• कम करंट और कम पावर वाली रेलों के साथ उपयोग के लिए।

• कुशल नहीं।

• कम शोर वाले बिजली आपूर्ति के लिए।

• कम रिपल और कम शोर की विशेषताओं के कारण यह सेंसर, फेज-लॉक्ड लूप आदि जैसे संवेदनशील एनालॉग इंटीग्रेटेड सर्किट के लिए उपयुक्त है।

लीनियर रेगुलेटरों के लिए, एक महत्वपूर्ण प्रकार लो ड्रॉपआउट (एलडीओ) लीनियर रेगुलेटर है।_INऔर वी_बाहरजब अंतर बहुत कम होता है, तो एलडीओ लगातार स्थिर वी आउटपुट दे सकता है।_बाहर.

स्विचिंग वोल्टेज रेगुलेटर
   

एक स्विचिंग रेगुलेटर स्विचिंग एलिमेंट के माध्यम से V को परिवर्तित करता है।_INएक अलग V_बाहरऔर आउटपुट वोल्टेज V को स्थिर करने के लिए बाहरी इंडक्टर और कैपेसिटर का उपयोग करें।_बाहरस्विचिंग रेगुलेटर आमतौर पर लीनियर रेगुलेटर की तुलना में अधिक कुशल होते हैं और उच्च आउटपुट करंट को सपोर्ट करते हैं। लेकिन आउटपुट को रेगुलेट करने के बाद, फ़िल्टरिंग के बावजूद भी, रिपल या स्विचिंग नॉइज़ मौजूद रहता है।

इनपुट और आउटपुट वोल्टेज के बीच संबंध के आधार पर, स्विचिंग रेगुलेटरों को निम्न प्रकार से वर्गीकृत किया जाता है:

• बक स्विचिंग रेगुलेटर: V_बाहर नीचे V_IN

• बूस्ट स्विचिंग रेगुलेटर: V_बाहर ऊपर V_IN

• बक-बूस्ट स्विचिंग रेगुलेटर: V_बाहर परिवर्तनीय, V से नीचे, ऊपर या उसके बराबर हो सकता है_IN

ऊपर दिए गए चार वोल्टेज रेगुलेटर टोपोलॉजी डिजाइन इंजीनियरों द्वारा आमतौर पर उपयोग किए जाते हैं: एलडीओ और तीन स्विचिंग रेगुलेटर (बक, बूस्ट, बक-बूस्ट)। अगले अनुभागों में, हम इन चारों वोल्टेज रेगुलेटरों का विस्तार से परिचय देंगे।

एलडीओ वोल्टेज रेगुलेटर
   

लो ड्रॉपआउट लीनियर रेगुलेटर एक डीसी लीनियर रेगुलेटर है जो सप्लाई वोल्टेज और आउटपुट वोल्टेज के बहुत करीब होने पर आउटपुट वोल्टेज स्तर को नियंत्रित करता है। एलडीओ के लिए, बिजली की खपत को कम करने और सिस्टम की दक्षता को अधिकतम करने के लिए ड्रॉप वोल्टेज जितना संभव हो उतना कम होना चाहिए (जैसा कि चित्र 1-3 में दिखाया गया है)।

         

LDO में आमतौर पर स्विचिंग रेगुलेटर की तुलना में उच्च पावर सप्लाई रिजेक्शन रेशियो (PSRR) होता है, जिसका अर्थ है कि LDO कम शोर वाला आउटपुट वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है। LDO आमतौर पर कोई रिपल उत्पन्न नहीं करते हैं और इनपुट सप्लाई के शोर या रिपल को कम करने में बहुत उपयोगी होते हैं। LDO की कम स्टैंडबाय करंट खपत इसे पोर्टेबल और वायरलेस अनुप्रयोगों के लिए एक उत्कृष्ट समाधान बनाती है।

बक कनवर्टर
   

यहाँ उत्पन्न करें बकइसका अर्थ है "कम करना" या "कमजोर करना"। बक कनवर्टर एक छोटा स्विचिंग रेगुलेटर है जो कुशलतापूर्वक V से कम आउटपुट देता है।_IN 的 वी_बाहरएक बक सर्किट में एक इंडक्टर, एक स्विचिंग फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (FET) या डायोड, एक कैपेसिटर और एक स्विचिंग कंट्रोल सर्किट के साथ एक एरर एम्पलीफायर होता है (चित्र 1-4 में दिखाया गया है)। बक कन्वर्टर मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET) के टर्न-ऑन समय को बदलता है और फिर सेंसर को पावर सप्लाई करता है। बक कन्वर्टर की दक्षता अधिक होती है क्योंकि MOSFET या तो पूरी तरह से ऑन होता है या पूरी तरह से ऑफ। ऑन और ऑफ (इम्पीडेंस) अवस्थाओं के बीच, एक बक कन्वर्टर लीनियर रेगुलेटर के विपरीत, काम नहीं करता है।

         

बक कनवर्टर पल्स चौड़ाई मॉड्यूलेशन (PWM) मोड या पल्स आवृत्ति मॉड्यूलेशन (PFM) मोड में स्विचिंग तरंगरूप उत्पन्न करता है, जिन्हें बाद में एक सहज आउटपुट वोल्टेज V उत्पन्न करने के लिए बाहरी इंडक्टर और कैपेसिटर फ़िल्टर घटकों का उपयोग करके फ़िल्टर किया जाता है।_{बाहर।}वोल्टेज रूपांतरण की यह विधि बहुत ही कुशल है और इससे बैटरी का जीवनकाल बढ़ाया जा सकता है, सिस्टम की गर्मी कम की जा सकती है और उत्पाद का आकार भी कम किया जा सकता है।

USB और अन्य कंप्यूटर पेरिफेरल्स से बिजली लेने वाले कई अनुप्रयोगों में बक कन्वर्टर का उपयोग किया जाता है। इसका उपयोग स्मार्टफोन, टैबलेट, मोबाइल डिवाइस और कई अन्य इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में भी होता है।

बूस्ट कनर्वटर
   

बढ़ावा यहां इसका अर्थ "उन्नत" है। बूस्ट कनवर्टर V को परिवर्तित करता है।_INबढ़ता है, जिससे V उत्पन्न होता है_बाहरउदाहरण के लिए, जब आप 3.3 वोल्ट डीसी इनपुट वोल्टेज को 5.0 वोल्ट आउटपुट वोल्टेज में परिवर्तित करना चाहते हैं।_बाहरऐसे में बूस्ट कन्वर्टर उपयोगी साबित होगा। यह बूस्ट ऑपरेशन कई लिथियम-आयन या लिथियम-पॉलिमर बैटरी अनुप्रयोगों में आम है।

बूस्ट सर्किट में बक सर्किट के समान ही घटक होते हैं (इंडक्टर, स्विचिंग फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर [FET] या डायोड, कैपेसिटर, स्विचिंग कंट्रोल सर्किटरी के साथ एरर एम्पलीफायर), लेकिन इसके कनेक्शन अलग होते हैं। बूस्ट सर्किट भी MOSFET के टर्न-ऑन समय को नियंत्रित करके इंडक्टर को पावर प्रदान करता है। (जैसा कि चित्र 1-5 में दिखाया गया है)।

         

बक-बूस्ट कनवर्टर
   

बक-बूस्ट कनवर्टर एक स्विच-मोड कनवर्टर है जो एक ही रेगुलेटर में बक और बूस्ट को संयोजित करता है। यह इनपुट और आउटपुट वोल्टेज की एक विस्तृत श्रृंखला को संभाल सकता है। कंट्रोल सर्किट MOSFET के स्विचिंग समय को समायोजित करता है, इनपुट वोल्टेज को घटाता या बढ़ाता है, और आवश्यकतानुसार V उत्पन्न करता है।_बाहर(जैसा कि चित्र 1-6 में दिखाया गया है)।

         

चित्र 1-6 में दिखाए गए मानक बक-बूस्ट प्रकार के अलावा, सेपिक, कुक और ज़ेटा जैसे अन्य प्रकार के बक-बूस्ट कन्वर्टर भी हैं। ये कन्वर्टर V को नियंत्रित कर सकते हैं।_बाहरजिससे यह V से कम, अधिक या उसके बराबर हो जाता है_IN.

एकीकृत परिपथों के विद्युत प्रबंधन का परिचय
     

PMIC एक एकीकृत परिपथ है जिसका उपयोग वोल्टेज रूपांतरण, वोल्टेज स्थिरीकरण और बैटरी प्रबंधन के लिए किया जाता है। ये पावर सिस्टम अनुक्रमण को संभाल सकते हैं, विभिन्न प्रकार के लोड को पावर प्रदान कर सकते हैं और ओवरवोल्टेज, अंडरवोल्टेज, ओवरकरंट, थर्मल फॉल्ट आदि से सुरक्षा प्रदान कर सकते हैं।

एक सिंगल पीएमआईसी कई बाहरी पावर सप्लाई को मैनेज कर सकता है, जिससे सिस्टम की अलग-अलग आवश्यकताओं को उपयुक्त रेगुलेटर आउटपुट वोल्टेज से मैप किया जा सकता है। इन्हें विभिन्न प्रोसेसर, सिस्टम कंट्रोलर और अंतिम अनुप्रयोगों में भी इस्तेमाल किया जा सकता है, बस संबंधित रजिस्टर सेटिंग्स या फर्मवेयर को बदलकर, बिना किसी नए इंटीग्रेटेड सर्किट (आईसी) को रीडिजाइन किए।

कई मौजूदा रुझानों के कारण पीएमआईसी बाजार तेजी से बढ़ रहा है। इनमें से एक रुझान वायरलेस मोबिलिटी के प्रति उपभोक्ताओं की बढ़ती रुचि है, जिसके कारण छोटे, बैटरी से चलने वाले उपकरणों की भारी मांग पैदा हुई है। इसके परिणामस्वरूप अधिक एकीकृत पावर मैनेजमेंट समाधानों की आवश्यकता होती है, जैसा कि चित्र 1-7 में दिखाया गया है। यह चित्र दर्शाता है कि कैसे कोरवो का पीएमआईसी समाधान घटकों की संख्या और समग्र समाधान के आकार को काफी कम कर देता है।

         

साथ ही, उपभोक्ता और निर्माता ऊर्जा-बचत करने वाले, पर्यावरण के अनुकूल और कार्बन उत्सर्जन कम करने वाले उत्पादों की मांग में लगातार वृद्धि कर रहे हैं। वैश्विक "हरित" रुझान ने कुशल विद्युत प्रबंधन से लैस इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों की मांग को बढ़ा दिया है, जिससे विद्युत प्रबंधन एक अत्यंत महत्वपूर्ण और लोकप्रिय विशेषता बन गई है।

ऑल-इन-वन पीएमआईसी
     

आज के समय में पीएमआईसी के व्यापक उपयोग का एक महत्वपूर्ण कारण यह है कि वे किसी भी अनुप्रयोग में कई या यहां तक ​​कि सभी वोल्टेज विनियमन कार्यों को पूरा कर सकते हैं (जैसा कि चित्र 1-8 में दिखाया गया है)। इन बहुमुखी पीएमआईसी को फर्मवेयर के माध्यम से कई अलग-अलग अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जिससे हार्डवेयर सर्किट में बदलाव की उच्च लागत समाप्त हो जाती है। ये विशेषताएं उन्हें अनुप्रयोगों के बीच आसानी से स्विच करने की अनुमति देती हैं, जिससे बाजार में उत्पाद लाने का समय कम हो जाता है।

         

अस्वीकरण: यह लेख "ज़िनकुनशे" से लिया गया है, जो बौद्धिक संपदा अधिकारों के संरक्षण का समर्थन करता है। पुनर्मुद्रण करते समय कृपया मूल स्रोत और लेखक का उल्लेख करें। यदि कोई उल्लंघन होता है, तो कृपया इसे हटाने के लिए हमसे संपर्क करें।

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