W tym rozdziale poznasz podstawy zarządzania energią, w tym rodzaje projektów obwodów wymaganych w różnych zastosowaniach. Dowiesz się również, czym jest układ scalony zarządzania energią (PMIC) i dlaczego dzisiejsze wszechstronne układy PMIC mogą zastąpić różne typy regulatorów napięcia.

         
Opanuj podstawową wiedzę na temat zasilania
     

Rodzaj podsystemu zarządzania zasilaniem prądem stałym wymagany przez dane urządzenie lub system elektroniczny zależy od źródła zasilania urządzenia lub systemu. Możliwe źródła zasilania to prąd przemienny, baterie, prąd stały oraz prąd stały o bardzo niskim poborze mocy (energia pozyskiwana). Zdecydowana większość urządzeń elektronicznych zasilanych bateryjnie wykorzystuje akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) lub litowo-polimerowe (LiPo). Zestaw akumulatorów może zawierać kilka ogniw połączonych szeregowo lub równolegle. Rysunek 1-1 przedstawia kilka przykładów.

Poniżej przedstawiono parametry napięcia i prądu dla każdej konfiguracji połączenia:

• Ogniwa szeregoweMoże zwiększyć napięcie akumulatora i zwiększyć pojemność całego akumulatora.

• Baterie równolegleNie może zwiększyć napięcia akumulatora, ale poprawi możliwości kontroli prądu i pojemność prądową całego akumulatora.

• Baterie szeregowe i równoległeMoże jednocześnie poprawić możliwości sterowania napięciem i prądem oraz wydajność prądową.

         

W niektórych zastosowaniach zasilanych bateryjnie, podzespoły systemu mogą nie być w stanie bezpośrednio korzystać z energii z baterii. Podzespoły te mogą wymagać niższego lub wyższego napięcia do prawidłowego działania. Podczas ładowania i rozładowywania napięcie akumulatora również ulega zmianie. Przetwornica DC-DC może służyć do monitorowania tego nieustabilizowanego napięcia wejściowego akumulatora i utrzymywania go na stabilnym poziomie. Przetwornice te są często nazywane regulatorami napięcia, ponieważ mogą zwiększać, zmniejszać lub regulować napięcie w zależności od potrzeb (pokazano na rysunku 1-2), a następnie dostarczać dostosowane napięcie do podzespołów systemu.

Regulatory DC-DC dostępne są w wersji izolowanej i nieizolowanej, w zależności od tego, czy masa wejściowa jest połączona z masą wyjściową:

• Konwerter izolowanyStosowane do izolowania napięć wejściowych i wyjściowych, zwykle przy użyciu transformatorów lub pojemnościowych układów przesyłu mocy.

• Konwerter nieizolowanyŚcieżka prądu stałego łączy masę wejściową z masą wyjściową, a połączenia masy wejściowej i wyjściowej są współdzielone.

         

Klasyfikacja regulatorów napięcia DC-DC
     

Regulatory napięcia stałego dzielą się na dwie kategorie w zależności od zastosowanej metody konwersji napięcia: regulatory liniowe i regulatory impulsowe. Są to dwa podstawowe typy regulatorów napięcia stosowane w urządzeniach elektronicznych, takich jak aparaty fotograficzne, telefony komórkowe, urządzenia ubieralne i komputery. Inżynierowie projektanci dobierają odpowiedni regulator napięcia stałego do swojego systemu na podstawie napięcia wejściowego, napięcia wyjściowego i wymaganego obciążenia prądowego.

Regulator liniowy
   

Regulatory liniowe przetwarzają napięcie wejściowe (V_IN) konwertuje na różne napięcia wyjściowe (V_OUT), wykorzystując składową liniową (tj. składową rezystancyjną) do regulacji napięcia wyjściowego V_OUTOgólna charakterystyka regulatorów liniowych:

• Rozpraszanie energii elektrycznej.

• Do stosowania z szynami niskoprądowymi i niskonapięciowymi.

• Nieefektywne.

• Do zasilaczy o niskim poziomie szumów.

• Niski poziom tętnień i szumów sprawia, że ​​układ ten nadaje się do stosowania w czułych analogowych układach scalonych, takich jak czujniki, pętle synchronizacji fazowej itp.

W przypadku regulatorów liniowych jednym z ważnych typów jest regulator liniowy o niskim spadku napięcia (LDO)._INi V_OUTGdy różnica jest bardzo mała, LDO może stale generować stabilne napięcie._OUT.

Regulator napięcia przełączającego
   

Regulator przełączający przetwarza V za pomocą elementu przełączającego_INdo innego V_OUTi użyć zewnętrznych cewek i kondensatorów do stabilizacji napięcia wyjściowego V_OUT. Regulatory impulsowe są generalnie bardziej wydajne i obsługują wyższe prądy wyjściowe niż regulatory liniowe. Jednak po ustabilizowaniu sygnału wyjściowego, nawet po filtrowaniu, nadal występują tętnienia lub szumy przełączania.

Ze względu na zależność między napięciem wejściowym i wyjściowym regulatory przełączające klasyfikuje się następująco:

• Regulator przełączający typu buck: V_OUT poniżej V_IN

• Regulator przełączający boost: V_OUT powyżej V_IN

• Regulator przełączający buck-boost: V_OUT Zmienna, może być niższa, wyższa lub równa V_IN

Przedstawiamy cztery topologie regulatorów napięcia powszechnie stosowane przez inżynierów projektowych: LDO i trzy regulatory impulsowe (buck, boost, buck-boost). W kolejnych sekcjach szczegółowo omówimy te cztery regulatory napięcia.

Regulator napięcia LDO
   

Liniowy regulator napięcia o niskim spadku napięcia to liniowy regulator prądu stałego, który reguluje poziom napięcia wyjściowego, gdy napięcie zasilania i napięcie wyjściowe są bardzo zbliżone. W przypadku regulatorów LDO spadek napięcia powinien być jak najmniejszy, aby zminimalizować straty mocy i zmaksymalizować wydajność systemu (jak pokazano na rysunku 1-3).

         

Regulatory LDO charakteryzują się zazwyczaj wyższym współczynnikiem tłumienia napięcia zasilania (PSRR) niż regulatory impulsowe, co oznacza, że ​​mogą generować napięcie wyjściowe o niskim poziomie szumów. Regulatory LDO zazwyczaj nie generują tętnień i są bardzo przydatne w redukcji szumów lub tętnień napięcia zasilania wejściowego. Niski pobór prądu w trybie czuwania sprawia, że ​​regulator LDO doskonale nadaje się do zastosowań przenośnych i bezprzewodowych.

Przetwornica obniżająca
   

w tym miejscu BryknięcieOznacza „obniżyć” lub „osłabić”. Przetwornica obniżająca napięcie to obniżony regulator impulsowy, który efektywnie generuje napięcie wyjściowe mniejsze niż V._IN 的 V_OUTUkład obniżający napięcie (buck) zawiera cewkę indukcyjną, tranzystor polowy (FET) lub diodę, kondensator oraz wzmacniacz błędu z przełączającym obwodem sterującym (pokazanym na rysunku 1-4). Przetwornica obniżająca napięcie zmienia czas włączenia tranzystora polowego MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik), a następnie podaje zasilanie do czujnika. Przetwornice obniżające napięcie charakteryzują się wysoką sprawnością, ponieważ MOSFET jest albo całkowicie włączony, albo całkowicie wyłączony. Pomiędzy stanami włączenia i wyłączenia (impedancja) przetwornica obniżająca napięcie nie działa, w przeciwieństwie do regulatora liniowego.

         

Konwerter obniżający napięcie generuje przebiegi przełączające w trybie modulacji szerokości impulsu (PWM) lub modulacji częstotliwości impulsu (PFM), które są następnie filtrowane za pomocą zewnętrznych elementów filtrujących w postaci cewki indukcyjnej i kondensatora, co pozwala uzyskać gładkie napięcie wyjściowe V_{NA ZEWNĄTRZ.}Ta metoda konwersji napięcia jest bardzo wydajna i może wydłużyć żywotność baterii, zmniejszyć ciepło systemu i zmniejszyć rozmiar produktu.

Przetwornice obniżające napięcie (buck) są wykorzystywane w wielu zastosowaniach, które pobierają zasilanie z USB i innych urządzeń peryferyjnych komputera. Są również stosowane w smartfonach, tabletach, urządzeniach mobilnych i wielu innych urządzeniach elektronicznych.

Wzmacniacz
   

Boost Tutaj oznacza to „wzmocniony”. Konwerter podwyższający napięcie zmienia V_INwzrasta, wytwarzając V_OUTNa przykład, gdy chcesz przekonwertować napięcie wejściowe 3.3 V DC na napięcie wyjściowe 5.0 V_OUT, przetwornica podwyższająca napięcie byłaby przydatna. Ta operacja podwyższająca napięcie jest powszechna w wielu zastosowaniach akumulatorów litowo-jonowych lub litowo-polimerowych.

Układ boost zawiera te same elementy co układ buck (cewkę indukcyjną, tranzystor polowy z przełączaniem [FET] lub diodę, kondensator, wzmacniacz błędu z przełączającym obwodem sterującym), ale ma inne połączenia. Układ boost działa również poprzez sterowanie czasem włączenia tranzystora MOSFET w celu dostarczenia zasilania do cewki indukcyjnej (jak pokazano na rysunku 1-5).

         

Konwerter Buck-Boost
   

Przetwornica buck-boost to przetwornica impulsowa, która łączy w jednym regulatorze funkcje buck i podwyższania napięcia. Obsługuje szeroki zakres napięć wejściowych i wyjściowych. Układ sterujący reguluje czas przełączania tranzystora MOSFET, zmniejsza lub zwiększa napięcie wejściowe i generuje napięcie V w razie potrzeby._OUT(Jak pokazano na rysunku 1-6).

         

Oprócz standardowego typu buck-boost pokazanego na rysunku 1-6, istnieją inne typy przetwornic buck-boost, takie jak Sepic, Cuk i Zeta. Przetwornice te mogą regulować napięcie_OUT, co czyni ją niższą, wyższą lub równą V_IN.

Wprowadzenie do układów scalonych do zarządzania energią
     

PMIC to układ scalony służący do konwersji i stabilizacji napięcia oraz zarządzania akumulatorem. Może on obsługiwać sekwencjonowanie systemu zasilania, zasilać różnorodne obciążenia oraz zapewniać ochronę przed przepięciami, niedonapięciem, przetężeniem, awariami termicznymi i innymi czynnikami.

Pojedynczy układ PMIC może zarządzać wieloma zewnętrznymi zasilaczami, dostosowując różne wymagania systemowe do odpowiedniego napięcia wyjściowego regulatora. Można je również stosować w różnych procesorach, kontrolerach systemowych i aplikacjach końcowych, po prostu zmieniając odpowiednie ustawienia rejestrów lub oprogramowania układowego, bez konieczności przeprojektowywania nowego układu scalonego (IC).

Rynek PMIC dynamicznie rośnie ze względu na kilka obecnych trendów. Jednym z nich jest dążenie konsumentów do mobilności bezprzewodowej, co spowodowało duży popyt na małe urządzenia zasilane bateryjnie, co z kolei wymaga bardziej zintegrowanych rozwiązań do zarządzania energią, jak pokazano na rysunku 1-7. Rysunek ten pokazuje, jak rozwiązanie PMIC firmy Qorvo znacząco redukuje liczbę komponentów i całkowity rozmiar rozwiązania.

         

Jednocześnie konsumenci i producenci coraz częściej oczekują produktów energooszczędnych, przyjaznych dla środowiska i redukujących emisję dwutlenku węgla. Globalny trend „zielonego” stylu życia zwiększył popyt na produkty elektroniczne wyposażone w efektywne zarządzanie energią, co sprawia, że ​​zarządzanie energią stało się bardzo ważną i popularną funkcją.

PMIC typu „wszystko w jednym”
     

Ważnym powodem, dla którego dzisiejsze układy PMIC są tak szeroko stosowane, jest to, że mogą one spełniać wiele, a nawet wszystkie funkcje regulacji napięcia w danym zastosowaniu (jak pokazano na rysunku 1-8). Te wszechstronne układy PMIC można dostosować za pomocą oprogramowania układowego do wielu różnych zastosowań, eliminując wysokie koszty zmian w obwodach sprzętowych. Funkcje te pozwalają na płynne przełączanie między aplikacjami, skracając tym samym czas wprowadzania ich na rynek.

         

Zastrzeżenie: Niniejszy artykuł został przedrukowany z „Xincunshe”, organizacji wspierającej ochronę praw własności intelektualnej. Prosimy o podanie oryginalnego źródła i autora przy przedruku. W przypadku naruszenia prosimy o kontakt w celu usunięcia artykułu.

Numer telefonu firmy: +86-0755-83044319
Faks/FAKS: +86-0755-83975897
E-mail: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Menedżer Li

QQ: 332496225 Menedżer Qiu

Adres: Pokój 809, Budynek C, Budynek Technologii Zhantao, nr 1079 Minzhi Avenue, Nowa Dzielnica Longhua, Shenzhen