In dit hoofdstuk leer je de basisprincipes van energiebeheer, inclusief de verschillende soorten circuitontwerpen die nodig zijn voor diverse toepassingen. Je leert ook wat een geïntegreerde schakeling voor energiebeheer (PMIC) is en waarom de veelzijdige PMIC's van tegenwoordig diverse soorten spanningsregelaars kunnen vervangen.

         
Beheers de basiskennis van stroomvoorziening.
     

Het type DC-stroombeheersysteem dat een bepaald apparaat of elektronisch systeem nodig heeft, hangt af van de stroombron van het apparaat of systeem. Mogelijke stroombronnen zijn wisselstroom (AC), batterijen, gelijkstroom (DC) en ultralaagvermogen gelijkstroom (energieoogst). De overgrote meerderheid van elektronische apparaten die op batterijen werken, gebruikt lithium-ion (Li-ion) of lithium-polymeer (LiPo) batterijen. Een batterijpakket kan meerdere cellen bevatten die in serie of parallel zijn geschakeld. Figuur 1-1 toont enkele voorbeelden.

Hieronder vindt u de spanning- en stroomprestaties voor elke aansluitconfiguratie:

• SeriecellenHet kan de spanning van het accupakket verhogen en daarmee de capaciteit van het gehele accupakket vergroten.

• Batterijen parallelHet verhoogt de spanning van het accupakket niet, maar het verbetert wel de stroomregeling en de stroomcapaciteit van het gehele accupakket.

• Serie- en parallelschakelingen van batterijenHet kan tegelijkertijd de mogelijkheden voor spannings- en stroomregeling en de stroomcapaciteit verbeteren.

         

In sommige toepassingen die op batterijen werken, kunnen systeemcomponenten mogelijk niet rechtstreeks op batterijvoeding werken. Deze componenten hebben mogelijk een lagere of hogere spanning nodig om goed te functioneren. Tijdens het laden en ontladen verandert de spanning van de batterij ook. Een DC-DC-omvormer kan worden gebruikt om deze ongeregelde batterijspanning te bewaken en stabiel te houden. Deze omvormers worden vaak spanningsregelaars genoemd, omdat ze de spanning naar behoefte kunnen verhogen, verlagen of regelen (zie figuur 1-2) en vervolgens de aangepaste spanning aan de systeemcomponenten kunnen leveren.

DC-DC-regelaars zijn verkrijgbaar in geïsoleerde en niet-geïsoleerde uitvoeringen, afhankelijk van of de ingangsmassa is verbonden met de uitgangsmassa:

• Geïsoleerde omvormerWordt gebruikt om ingangs- en uitgangsspanningen te isoleren, meestal met behulp van transformatoren of capacitieve stroomoverdracht.

• Niet-geïsoleerde converterEr is een gelijkstroompad dat de ingangsmassa en de uitgangsmassa verbindt, en de ingangs- en uitgangsmassa-aansluitingen worden gedeeld.

         

Classificatie van DC-DC-spanningsregelaars
     

DC-spanningsregelaars worden op basis van de gebruikte spanningsomzettingsmethode in twee categorieën verdeeld: lineaire regelaars en schakelende regelaars. Dit zijn de twee basistypen spanningsregelaars die worden gebruikt in elektronische apparaten zoals camera's, mobiele telefoons, wearables en computers. Ontwerpers kiezen de juiste DC-regelaar voor hun systeemontwerp op basis van de ingangsspanning, de uitgangsspanning en de vereiste stroombelasting.

Lineaire regelaar
   

Lineaire spanningsregelaars zetten de ingangsspanning (V) om._IN) wordt omgezet in verschillende uitgangsspanningen (V_OUT), waarbij een lineaire component (d.w.z. een resistieve component) wordt gebruikt om de uitgangsspanning V te regelen._OUTAlgemene kenmerken van lineaire regelaars:

• Elektrische energie afvoeren.

• Voor gebruik met lage stroom- en vermogensrails.

• Niet efficiënt.

• Voor voedingen met een laag geluidsniveau.

• De lage rimpelspanning en ruisarme eigenschappen maken het geschikt voor gevoelige analoge geïntegreerde schakelingen zoals sensoren, fasevergrendelingslussen, enz.

Voor lineaire regelaars is de low dropout (LDO) lineaire regelaar een belangrijk type. in V_INen V_OUTAls het verschil erg klein is, kan de LDO continu een stabiele spanning leveren._OUT.

Schakelende spanningsregelaar
   

Een schakelende spanningsregelaar zet V om via een schakelend element._INnaar een andere V_OUTen gebruik externe spoelen en condensatoren om de uitgangsspanning V te stabiliseren._OUTSchakelregelaars zijn over het algemeen efficiënter en ondersteunen hogere uitgangsstromen dan lineaire regelaars. Er blijft echter na de regeling van de uitgang, zelfs na filtering, nog steeds rimpel of schakelruis aanwezig.

Op basis van de relatie tussen ingangs- en uitgangsspanning worden schakelende spanningsregelaars als volgt geclassificeerd:

• Buck-schakelregelaar: V_OUT onder V_IN

• Boost-schakelregelaar: V_OUT boven V_IN

• Buck-Boost schakelende spanningsregelaar: V_OUT Variabele, kan kleiner, groter of gelijk aan V zijn._IN

Bovenstaande zijn de vier meest gebruikte topologieën voor spanningsregelaars door ontwerpers: LDO en drie schakelende regelaars (buck, boost en buck-boost). In de volgende paragrafen zullen we deze vier spanningsregelaars in detail bespreken.

LDO-spanningsregelaar
   

Een lineaire spanningsregelaar met lage spanningsval (LDO) is een gelijkspanningsregelaar die het uitgangsspanningsniveau regelt wanneer de voedingsspanning en de uitgangsspanning zeer dicht bij elkaar liggen. Bij LDO's moet de spanningsval zo klein mogelijk zijn om het stroomverbruik te minimaliseren en de systeemefficiëntie te maximaliseren (zoals weergegeven in figuur 1-3).

         

LDO's hebben doorgaans een hogere voedingsspanningsonderdrukkingsverhouding (PSRR) dan schakelende spanningsregelaars, wat betekent dat een LDO een ruisarme uitgangsspanning kan genereren. LDO's produceren over het algemeen geen rimpel en zijn zeer nuttig voor het verminderen van ruis of rimpel in de ingangsspanning. Het lage stroomverbruik in stand-bymodus maakt de LDO een uitstekende oplossing voor draagbare en draadloze toepassingen.

Buck-converter
   

hier Reebokbetekent "verlagen" of "verzwakken". De buck-converter is een gereduceerde schakelende spanningsregelaar die efficiënt een uitgangsspanning levert die lager is dan V._IN 的 V_OUTEen buck-converter bevat een inductor, een schakelende veld-effecttransistor (FET) of diode, een condensator en een foutversterker met een schakelend regelcircuit (zie figuur 1-4). De buck-converter verandert de inschakeltijd van een metaaloxide-halfgeleider veld-effecttransistor (MOSFET) en levert vervolgens stroom aan de sensor. Buck-converters hebben een hoog rendement omdat de MOSFET ofwel volledig aan ofwel volledig uit staat. Tussen de aan- en uit-toestand (impedantie) werkt een buck-converter niet, in tegenstelling tot een lineaire regelaar.

         

De buck-converter genereert schakelgolfvormen in pulsbreedtemodulatie (PWM) of pulsfrequentiemodulatie (PFM), die vervolgens worden gefilterd met behulp van externe inductor- en condensatorfiltercomponenten om een ​​vloeiende uitgangsspanning V te produceren._UIT.Deze spanningsomzettingsmethode is zeer efficiënt en kan de levensduur van de batterij verlengen, de warmteontwikkeling in het systeem verminderen en de productgrootte verkleinen.

Buck-converters worden gebruikt in veel toepassingen die stroom afnemen van USB en andere computerrandapparatuur. Ze worden ook gebruikt in smartphones, tablets, mobiele apparaten en vele andere elektronische apparaten.

Boost-omzetter
   

Versterk Hier betekent het "verbeterd". De boostconverter zet V om in V_INstijgt, waardoor V ontstaat_OUTBijvoorbeeld, wanneer u een gelijkspanning van 3.3 volt wilt omzetten naar een uitgangsspanning van 5.0 volt._OUTEen boostconverter zou dan handig zijn. Deze boostfunctie is gebruikelijk in veel lithium-ion- of lithium-polymeerbatterijen.

Een boostcircuit bevat dezelfde componenten als een buckcircuit (spoel, schakelende veldeffecttransistor [FET] of diode, condensator, foutversterker met schakelende aansturingscircuits), maar heeft andere aansluitingen. Het boostcircuit werkt ook door de inschakeltijd van de MOSFET te regelen om de spoel van stroom te voorzien. (Zoals weergegeven in figuur 1-5).

         

Buck-Boost-converter
   

Een buck-boost-converter is een schakelende converter die zowel buck- als boost-functionaliteit combineert in één regelaar. Hij kan een breed scala aan ingangs- en uitgangsspanningen aan. Het regelcircuit past de schakeltijd van de MOSFET aan, verlaagt of verhoogt de ingangsspanning en genereert V naar behoefte._OUT(Zoals weergegeven in figuur 1-6).

         

Naast het standaard buck-boost-type dat in figuur 1-6 wordt getoond, bestaan ​​er andere typen buck-boost-omvormers, zoals Sepic, Cuk en Zeta. Deze omvormers kunnen V regelen._OUTwaardoor het lager, hoger of gelijk is aan V_IN.

Inleiding tot geïntegreerde schakelingen voor energiebeheer
     

Een PMIC (Power Manufacturing Integrated Circuit) is een geïntegreerde schakeling die wordt gebruikt voor spanningsomzetting, spanningsstabilisatie en batterijbeheer. PMIC's kunnen de sequentiëring van voedingssystemen regelen, diverse belastingen van stroom voorzien en bescherming bieden tegen overspanning, onderspanning, overstroom, thermische storingen en meer.

Een enkele PMIC kan meerdere externe voedingen beheren en verschillende systeemvereisten koppelen aan de juiste uitgangsspanning van de spanningsregelaar. Ze kunnen ook worden gebruikt met diverse processoren, systeemcontrollers en eindtoepassingen door simpelweg de relevante registerinstellingen of firmware aan te passen, zonder een nieuwe geïntegreerde schakeling (IC) te hoeven ontwerpen.

De PMIC-markt groeit snel dankzij verschillende actuele trends. Een daarvan is de toenemende behoefte van consumenten aan draadloze mobiliteit, wat heeft geleid tot een grote vraag naar kleine, op batterijen werkende apparaten. Dit vereist op zijn beurt meer geïntegreerde oplossingen voor energiebeheer, zoals weergegeven in figuur 1-7. Deze figuur laat zien hoe de PMIC-oplossing van Qorvo het aantal componenten en de totale omvang van de oplossing aanzienlijk reduceert.

         

Tegelijkertijd eisen consumenten en fabrikanten steeds vaker producten die energiezuinig en milieuvriendelijk zijn en de CO2-uitstoot verminderen. De wereldwijde "groene" trend heeft de vraag naar elektronische producten met efficiënt energiebeheer doen toenemen, waardoor energiebeheer een zeer belangrijke en populaire functie is geworden.

Alles-in-één PMIC
     

Een belangrijke reden waarom PMIC's tegenwoordig zo wijdverbreid zijn, is dat ze veel, zo niet alle, spanningsregelingsfuncties in een toepassing kunnen vervullen (zoals weergegeven in figuur 1-8). Deze veelzijdige PMIC's kunnen via firmware worden aangepast voor uiteenlopende toepassingen, waardoor de hoge kosten van hardwarematige circuitwijzigingen worden vermeden. Dankzij deze eigenschappen kunnen ze soepel schakelen tussen verschillende toepassingen, wat de time-to-market verkort.

         

Disclaimer: Dit artikel is overgenomen van "Xincunshe", dat de bescherming van intellectuele-eigendomsrechten ondersteunt. Vermeld bij herpublicatie de oorspronkelijke bron en auteur. Neem bij inbreuk op het auteursrecht contact met ons op zodat we het artikel kunnen verwijderen.

Telefoonnummer van het bedrijf: +86-0755-83044319
Fax: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
Vraag: 3518641314 Manager Li

Vraag: 332496225 Manager Qiu

Adres: Kamer 809, Gebouw C, Zhantao Technologiegebouw, Minzhilaan 1079, Longhua Nieuw District, Shenzhen