В этой главе вы изучите основы управления питанием, включая типы схем, необходимые для различных применений. Вы также узнаете, что такое интегральная схема управления питанием (PMIC) и почему современные универсальные PMIC могут заменить различные типы стабилизаторов напряжения.

         
Освойте базовые знания об источниках питания.
     

Тип подсистемы управления питанием постоянного тока, необходимой для конкретного устройства или электронной системы, зависит от источника питания этого устройства или системы. Возможные источники питания включают переменный ток, батареи, постоянный ток и сверхнизкопотребляющий постоянный ток (сбор энергии). Подавляющее большинство электронных устройств, работающих от батарей, используют литий-ионные (Li-ion) или литий-полимерные (LiPo) батареи. Батарейный блок может содержать несколько элементов, соединенных последовательно или параллельно. На рисунке 1-1 приведены некоторые примеры.

Ниже приведены значения напряжения и тока для каждой конфигурации подключения:

• Последовательная последовательность ячеекIt can increase the voltage of the battery pack and increase the capacity of the entire battery pack.

• Аккумуляторы параллельноЭто не позволит увеличить напряжение аккумуляторной батареи, но улучшит возможности регулирования тока и емкость всей батареи в целом.

• Последовательное и параллельное соединение батарейЭто позволяет одновременно улучшить возможности регулирования напряжения и тока, а также пропускную способность по току.

         

В некоторых системах с батарейным питанием компоненты могут не иметь возможности напрямую использовать энергию батареи. Для корректной работы этим компонентам может потребоваться более низкое или более высокое напряжение. В процессе зарядки и разрядки напряжение батареи также будет изменяться. Для контроля этого нерегулируемого входного напряжения батареи и поддержания его стабильности можно использовать преобразователь постоянного тока. Такие преобразователи часто называют регуляторами напряжения, поскольку они могут увеличивать, уменьшать или регулировать напряжение по мере необходимости (показано на рисунке 1-2), а затем подавать скорректированное напряжение на подкомпоненты системы.

DC-DC стабилизаторы выпускаются в изолированном и неизолированном исполнении, в зависимости от того, подключена ли входная земля к выходной земле:

• Isolated converterИспользуется для разграничения входного и выходного напряжений, обычно с помощью трансформаторов или емкостной передачи энергии.

• Неизолированный преобразовательМежду землей входа и землей выхода проходит цепь постоянного тока, причем соединения земли входа и выхода являются общими.

         

классификация DC-DC стабилизаторов напряжения
     

DC voltage regulators are divided into two categories based on the voltage conversion method used: linear regulators and switching regulators. These are two basic types of voltage regulators used in electronic devices such as cameras, cell phones, wearables, and computers. Design engineers will select the appropriate DC regulator for their system design based on input voltage, output voltage, and required current loading.

Регулятор Линейный
   

Линейные стабилизаторы преобразуют входное напряжение (В)._IN) преобразует в различные выходные напряжения (В)_ВНЕ), using a linear component (i.e. resistive component) to regulate the output voltage V_ВНЕОбщие характеристики линейных регуляторов:

• Рассеивать электрическую энергию.

• Предназначено для использования с низкотоковыми и низковольтными шинами питания.

• Неэффективно.

• Для малошумных источников питания.

• Низкий уровень пульсаций и шума делает его подходящим для чувствительных аналоговых интегральных схем, таких как датчики, фазовые автоподстройки частоты и т. д.

Для линейных стабилизаторов одним из важных типов являются линейные стабилизаторы с низким падением напряжения (LDO)._INи V_ВНЕКогда разница очень мала, LDO может непрерывно выдавать стабильное напряжение._ВНЕ.

Импульсный стабилизатор напряжения
   

Импульсный стабилизатор преобразует напряжение V с помощью переключающего элемента._INto a different V_ВНЕа также использовать внешние индукторы и конденсаторы для стабилизации выходного напряжения V._ВНЕ. Switching regulators are generally more efficient and support higher output currents than linear regulators. But there is still ripple or switching noise after the output is regulated, even after filtering.

According to the relationship between input and output voltage, switching regulators are classified as follows:

• Понижающий импульсный стабилизатор напряжения: V_ВНЕ ниже V_IN

• Повышающий импульсный стабилизатор напряжения: В_ВНЕ above V_IN

• Импульсный понижающе-повышающий стабилизатор напряжения: В_ВНЕ Variable, can be below, above, or equal to V_IN

Выше представлены четыре топологии стабилизаторов напряжения, обычно используемые инженерами-разработчиками: LDO и три импульсных стабилизатора (понижающий, повышающий, понижающе-повышающий). В следующих разделах мы подробно рассмотрим эти четыре стабилизатора напряжения.

LDO регулятор напряжения
   

Линейный стабилизатор с низким падением напряжения — это линейный стабилизатор постоянного тока, который регулирует уровень выходного напряжения, когда напряжение питания и выходное напряжение очень близки. Для LDO падение напряжения должно быть как можно меньше, чтобы минимизировать рассеиваемую мощность и максимизировать эффективность системы (как показано на рисунке 1-3).

         

Линейные стабилизаторы напряжения (LDO) обычно имеют более высокий коэффициент подавления пульсаций источника питания (PSRR), чем импульсные стабилизаторы, что означает, что LDO могут генерировать малошумное выходное напряжение. LDO, как правило, не создают пульсаций и очень полезны для снижения шума или пульсаций на входе. Низкое потребление тока в режиме ожидания делает LDO отличным решением для портативных и беспроводных приложений.

Понижающий преобразователь
   

здесь Долларозначает «снижать» или «ослаблять». Понижающий преобразователь — это импульсный стабилизатор с пониженным выходным напряжением, эффективно выдающий менее V._IN 的 В._ВНЕ. 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.

         

The buck converter generates switching waveforms in pulse width modulation (PWM) mode or pulse frequency modulation (PFM) mode, which are then filtered using external inductor and capacitor filter components to produce a smooth output voltage V_ВНЕ.This voltage conversion method is very efficient and can extend battery life, reduce system heat, and reduce product size.

Понижающие преобразователи напряжения используются во многих устройствах, получающих питание от USB и других компьютерных периферийных устройств. Они также применяются в смартфонах, планшетах, мобильных телефонах и многих других электронных устройствах.

Повышающий преобразователь
   

Boost Здесь это означает «улучшенный». Повышающий преобразователь вращает V._INподнимается, создавая V_ВНЕНапример, когда вам нужно преобразовать входное напряжение постоянного тока 3.3 вольта в выходное напряжение 5.0 вольт._ВНЕВ таком случае, повышающий преобразователь был бы очень кстати. Такой режим работы с повышающим преобразователем широко распространен во многих литий-ионных или литий-полимерных батареях.

Повышающая схема содержит те же компоненты, что и понижающая схема (индуктор, переключающий полевой транзистор [FET] или диод, конденсатор, усилитель ошибки с схемой управления переключением), но имеет другие соединения. Повышающая схема также работает за счет управления временем включения MOSFET для подачи питания на индуктор (как показано на рисунке 1-5).

         

Понижающе-повышающий преобразователь
   

Понижающе-повышающий преобразователь — это импульсный преобразователь, который объединяет функции понижения и повышения напряжения в одном регуляторе. Он может работать в широком диапазоне входных и выходных напряжений. Схема управления регулирует время переключения MOSFET, уменьшает или увеличивает входное напряжение и генерирует V по мере необходимости._ВНЕ(Как показано на рисунке 1-6).

         

In addition to the standard buck-boost type shown in Figure 1-6, there are other types of buck-boost converters such as Sepic, Cuk, and Zeta. These converters can regulate V_ВНЕ, что делает его ниже, выше или равным V_IN.

Introduction to power management integrated circuits
     

PMIC — это интегральная схема, используемая для преобразования напряжения, стабилизации напряжения и управления батареями. Она может управлять последовательностью включения/выключения питания, обеспечивать питание различных нагрузок и защищать от перенапряжения, пониженного напряжения, перегрузки по току, тепловых неисправностей и многого другого.

A single PMIC can manage multiple external power supplies, mapping different system requirements to the appropriate regulator output voltage. They can also be used on a variety of processors, system controllers, and end applications by simply changing the relevant register settings or firmware without redesigning a new integrated circuit (IC).

Рынок PMIC быстро растет благодаря нескольким текущим тенденциям. Одна из тенденций — стремление потребителей к беспроводной мобильности, что привело к значительному спросу на небольшие устройства с батарейным питанием, а это, в свою очередь, требует более интегрированных решений по управлению питанием, как показано на рисунке 1-7. На этом рисунке показано, как решение PMIC от Qorvo значительно сокращает количество компонентов и общий размер решения.

         

В то же время потребители и производители все чаще требуют энергосберегающих, экологически чистых продуктов, снижающих выбросы углекислого газа. Глобальная «зеленая» тенденция привела к росту спроса на электронные устройства, оснащенные эффективными системами управления питанием, что сделало управление энергопотреблением очень важной и востребованной функцией.

All-in-one PMIC
     

Важная причина широкого использования современных PMIC заключается в том, что они могут выполнять многие или даже все функции регулирования напряжения в приложении (как показано на рисунке 1-8). Эти универсальные PMIC могут быть настроены с помощью встроенного программного обеспечения для множества различных приложений, что исключает высокие затраты на изменение аппаратной схемы. Эти особенности позволяют им плавно переключаться между приложениями, тем самым сокращая время выхода на рынок.

         

Предупреждение: Данная статья воспроизведена из издания «Xincunshe», которое поддерживает защиту прав интеллектуальной собственности. При перепечатке, пожалуйста, указывайте первоисточник и автора. В случае нарушения авторских прав, пожалуйста, свяжитесь с нами для удаления публикации.

Номер телефона компании: +86-0755-83044319
Факс: +86-0755-83975897
Почта: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 Менеджер Ли

QQ: 332496225 Менеджер Цю

Адрес: Комната 809, корпус C, технологический корпус Чжаньтао, проспект Миньчжи, 1079, новый район Лунхуа, Шэньчжэнь.