ในบทนี้ คุณจะได้เรียนรู้พื้นฐานของการจัดการพลังงาน รวมถึงประเภทของการออกแบบวงจรที่จำเป็นสำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ คุณจะได้เรียนรู้ว่าวงจรรวมจัดการพลังงาน (PMIC) คืออะไร และเหตุใด PMIC อเนกประสงค์ในปัจจุบันจึงสามารถใช้แทนตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าประเภทต่างๆ ได้

         
เรียนรู้ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับระบบจ่ายไฟให้เชี่ยวชาญ
     

ประเภทของระบบจัดการพลังงานกระแสตรง (DC) ที่อุปกรณ์หรือระบบอิเล็กทรอนิกส์บางอย่างต้องการนั้นขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานของอุปกรณ์หรือระบบนั้น แหล่งพลังงานที่เป็นไปได้ ได้แก่ ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC), แบตเตอรี่, ไฟฟ้ากระแสตรง (DC) และไฟฟ้ากระแสตรงกำลังต่ำมาก (การเก็บเกี่ยวพลังงาน) อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้แบตเตอรี่ส่วนใหญ่ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) หรือแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ (LiPo) ชุดแบตเตอรี่อาจประกอบด้วยเซลล์หลายเซลล์ที่เชื่อมต่อกันแบบอนุกรมหรือแบบขนาน รูปที่ 1-1 แสดงตัวอย่างบางส่วน

ต่อไปนี้คือประสิทธิภาพด้านแรงดันและกระแสไฟฟ้าสำหรับรูปแบบการเชื่อมต่อแต่ละแบบ:

• เซลล์อนุกรมมันสามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่และเพิ่มความจุของชุดแบตเตอรี่โดยรวมได้

• แบตเตอรี่แบบขนานอุปกรณ์นี้ไม่สามารถเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่ได้ แต่จะช่วยปรับปรุงความสามารถในการควบคุมกระแสไฟฟ้าและความจุของกระแสไฟฟ้าของชุดแบตเตอรี่โดยรวมได้

• แบตเตอรี่แบบอนุกรมและแบบขนานสามารถปรับปรุงความสามารถในการควบคุมแรงดันและกระแสไฟฟ้า รวมถึงความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าได้พร้อมกัน

         

ในบางแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ ส่วนประกอบของระบบอาจไม่สามารถใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ได้โดยตรง ส่วนประกอบเหล่านี้อาจต้องการแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าหรือสูงกว่าเพื่อทำงานได้อย่างถูกต้อง ในระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุ แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ก็จะเปลี่ยนแปลงไปด้วย ตัวแปลง DC-DC สามารถใช้เพื่อตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของแบตเตอรี่ที่ไม่คงที่นี้และรักษาให้คงที่ ตัวแปลงเหล่านี้มักเรียกว่าตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า เนื่องจากสามารถเพิ่ม ลด หรือควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้ตามต้องการ (แสดงในรูปที่ 1-2) จากนั้นจึงจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ปรับแล้วให้กับส่วนประกอบย่อยของระบบ

ตัวควบคุมแรงดันไฟ DC-DC มีให้เลือกทั้งแบบแยกวงจรและแบบไม่แยกวงจร ขึ้นอยู่กับว่ากราวด์ขาเข้าเชื่อมต่อกับกราวด์ขาออกหรือไม่:

• ตัวแปลงแบบแยกส่วนใช้สำหรับแยกแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออก โดยทั่วไปจะใช้หม้อแปลงหรือการส่งกำลังไฟฟ้าแบบคาปาซิเตอร์

• ตัวแปลงที่ไม่แยกส่วนมีเส้นทางกระแสตรงเชื่อมต่อระหว่างกราวด์ขาเข้าและกราวด์ขาออก และการเชื่อมต่อกราวด์ขาเข้าและขาออกนั้นใช้ร่วมกัน

         

การจำแนกประเภทของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า DC-DC
     

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC regulator) แบ่งออกเป็นสองประเภทตามวิธีการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ได้แก่ ตัวควบคุมแบบเชิงเส้น (linear regulator) และตัวควบคุมแบบสวิตชิ่ง (switching regulator) นี่คือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าพื้นฐานสองประเภทที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เช่น กล้องถ่ายรูป โทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์สวมใส่ และคอมพิวเตอร์ วิศวกรออกแบบจะเลือกตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เหมาะสมสำหรับการออกแบบระบบของตนโดยพิจารณาจากแรงดันไฟฟ้าขาเข้า แรงดันไฟฟ้าขาออก และกระแสไฟฟ้าที่ต้องการ

ควบคุมเชิงเส้น
   

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้นจะแปลงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า (V)_IN) แปลงเป็นแรงดันเอาต์พุตที่แตกต่างกัน (V_OUTโดยใช้ส่วนประกอบเชิงเส้น (เช่น ส่วนประกอบต้านทาน) เพื่อควบคุมแรงดันเอาต์พุต V_OUTลักษณะทั่วไปของตัวควบคุมแรงดันเชิงเส้น:

• กระจายพลังงานไฟฟ้า

• เหมาะสำหรับใช้กับรางจ่ายไฟกระแสต่ำและกำลังไฟต่ำ

• ไม่คุ้มค่า

• สำหรับแหล่งจ่ายไฟที่มีเสียงรบกวนต่ำ

• คุณสมบัติที่มีระลอกคลื่นต่ำและสัญญาณรบกวนต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับวงจรรวมอนาล็อกที่ต้องการความไวสูง เช่น เซ็นเซอร์ วงจรล็อกเฟส เป็นต้น

สำหรับตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบเชิงเส้น ประเภทที่สำคัญอย่างหนึ่งคือตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบเชิงเส้นที่มีแรงดันตกคร่อมต่ำ (LDO) ในหน่วย V_INและโวลต์_OUTเมื่อความแตกต่างมีน้อยมาก LDO สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้า V ที่เสถียรได้อย่างต่อเนื่อง_OUT.

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง
   

วงจรควบคุมแรงดันแบบสวิตชิ่งจะแปลงแรงดัน V ผ่านองค์ประกอบสวิตชิ่ง_INไปยัง V ที่แตกต่างกัน_OUTและใช้ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุภายนอกเพื่อรักษาเสถียรภาพของแรงดันเอาต์พุต V_OUTโดยทั่วไปแล้ว วงจรควบคุมแรงดันแบบสวิตชิ่งจะมีประสิทธิภาพมากกว่าและรองรับกระแสเอาต์พุตได้สูงกว่าวงจรควบคุมแรงดันแบบเชิงเส้น แต่ก็ยังคงมีสัญญาณรบกวนหรือสัญญาณรบกวนจากการสวิตชิ่งอยู่หลังจากที่แรงดันเอาต์พุตได้รับการควบคุมแล้ว แม้ว่าจะผ่านการกรองแล้วก็ตาม

ตามความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออก ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งสามารถจำแนกได้ดังนี้:

• วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบ Buck switching regulator: V_OUT ต่ำกว่า V_IN

• วงจรควบคุมการสวิตช์บูสต์: V_OUT เหนือ V_IN

• วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบ Buck-Boost: V_OUT ตัวแปร สามารถอยู่ต่ำกว่า สูงกว่า หรือเท่ากับ V ได้_IN

ข้างต้นคือวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าสี่แบบที่วิศวกรออกแบบนิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ LDO และวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งสามแบบ (บัค บูสต์ และบัค-บูสต์) ในส่วนต่อไปนี้ เราจะแนะนำวงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าทั้งสี่แบบนี้โดยละเอียด

ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า LDO
   

ตัวควบคุมแรงดันเชิงเส้นแบบดรอปเอาต์ต่ำ (LDO) คือตัวควบคุมแรงดันเชิงเส้นกระแสตรงที่ควบคุมระดับแรงดันเอาต์พุตเมื่อแรงดันแหล่งจ่ายและแรงดันเอาต์พุตใกล้เคียงกันมาก สำหรับ LDO แรงดันตกคร่อมควรน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อลดการสูญเสียพลังงานและเพิ่มประสิทธิภาพของระบบให้สูงสุด (ดังแสดงในรูปที่ 1-3)

         

โดยทั่วไปแล้ว LDO จะมีอัตราส่วนการปฏิเสธสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟ (PSRR) สูงกว่าตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง ซึ่งหมายความว่า LDO สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าขาออกที่มีสัญญาณรบกวนต่ำได้ โดยทั่วไปแล้ว LDO จะไม่ก่อให้เกิดระลอกคลื่นใดๆ และมีประโยชน์มากในการลดสัญญาณรบกวนหรือระลอกคลื่นจากแหล่งจ่ายไฟขาเข้า การใช้กระแสไฟสแตนด์บายต่ำของ LDO ทำให้เป็นโซลูชันที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์พกพาและแอปพลิเคชันไร้สาย

ตัวแปลงบั๊ก
   

Good Farm Animal Welfare Awards เจ้าชู้หมายถึง "ลดลง" หรือ "อ่อนลง" ตัวแปลงบัค (Buck converter) เป็นตัวควบคุมการสวิตช์แบบลดขนาดที่ให้เอาต์พุตที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า V_IN ของ วี_OUTวงจรบัคประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำ ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบสวิตช์ (FET) หรือไดโอด ตัวเก็บประจุ และตัวขยายสัญญาณผิดพลาดพร้อมวงจรควบคุมการสวิตช์ (แสดงในรูปที่ 1-4) ตัวแปลงบัคจะเปลี่ยนเวลาเปิดของทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบโลหะออกไซด์เซมิคอนดักเตอร์ (MOSFET) แล้วจึงจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ ตัวแปลงบัคมีประสิทธิภาพสูงเนื่องจาก MOSFET จะเปิดหรือปิดอย่างสมบูรณ์เท่านั้น ระหว่างสถานะเปิดและปิด (อิมพีแดนซ์) ตัวแปลงบัคจะไม่ทำงาน ซึ่งแตกต่างจากตัวควบคุมเชิงเส้น

         

วงจร Buck Converter สร้างรูปคลื่นการสวิตช์ในโหมดการปรับความกว้างพัลส์ (PWM) หรือโหมดการปรับความถี่พัลส์ (PFM) จากนั้นจึงกรองสัญญาณเหล่านั้นโดยใช้ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุภายนอกเพื่อสร้างแรงดันเอาต์พุต V ที่ราบเรียบ_ออก.วิธีการแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบนี้มีประสิทธิภาพสูง สามารถยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ลดความร้อนในระบบ และลดขนาดของผลิตภัณฑ์ได้

ตัวแปลงแรงดันแบบบัค (Buck converter) ถูกนำไปใช้ในงานหลายประเภทที่ดึงพลังงานจาก USB และอุปกรณ์ต่อพ่วงคอมพิวเตอร์อื่นๆ นอกจากนี้ยังใช้ในสมาร์ทโฟน แท็บเล็ต อุปกรณ์พกพา และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ อีกมากมาย

บูสต์คอนเวอร์เตอร์
   

การส่งเสริม ในที่นี้หมายถึง "ปรับปรุงแล้ว" ตัวแปลงบูสต์จะเปลี่ยน V_INเพิ่มขึ้น ทำให้เกิด V_OUTตัวอย่างเช่น เมื่อคุณต้องการแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงขาเข้า 3.3 โวลต์ ให้เป็นแรงดันไฟฟ้าขาออก 5.0 โวลต์_OUTตัวแปลงแรงดันแบบเพิ่มแรงดัน (boost converter) จะมีประโยชน์มาก การเพิ่มแรงดันนี้พบได้ทั่วไปในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหรือลิเธียมโพลิเมอร์หลายประเภท

วงจรบูสต์ประกอบด้วยส่วนประกอบเดียวกันกับวงจรบัค (ตัวเหนี่ยวนำ ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กแบบสวิตช์ [FET] หรือไดโอด ตัวเก็บประจุ วงจรขยายสัญญาณผิดพลาดพร้อมวงจรควบคุมการสวิตช์) แต่มีการเชื่อมต่อที่แตกต่างกัน วงจรบูสต์ยังทำงานโดยการควบคุมเวลาเปิดของ MOSFET เพื่อจ่ายพลังงานให้กับตัวเหนี่ยวนำ (ดังแสดงในรูปที่ 1-5)

         

ตัวแปลง Buck-Boost
   

ตัวแปลงบัค-บูสต์ (Buck-Boost Converter) เป็นตัวแปลงแบบสวิตช์โหมดที่รวมการทำงานของบัคและบูสต์ไว้ในตัวควบคุมเดียว สามารถรองรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกได้หลากหลายช่วง วงจรควบคุมจะปรับเวลาการสวิตช์ของ MOSFET ลดหรือเพิ่มแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และสร้างแรงดันไฟฟ้า V ตามที่ต้องการ_OUT(ดังแสดงในรูปที่ 1-6)

         

นอกจากตัวแปลงบัค-บูสต์แบบมาตรฐานที่แสดงในรูปที่ 1-6 แล้ว ยังมีตัวแปลงบัค-บูสต์ประเภทอื่นๆ อีก เช่น Sepic, Cuk และ Zeta ตัวแปลงเหล่านี้สามารถควบคุม V ได้_OUTทำให้ค่าต่ำกว่า สูงกว่า หรือเท่ากับ V_IN.

บทนำเกี่ยวกับวงจรรวมการจัดการพลังงาน
     

PMIC (Power Microsystems Unit) คือวงจรรวมที่ใช้สำหรับการแปลงแรงดันไฟฟ้า การรักษาเสถียรภาพแรงดันไฟฟ้า และการจัดการแบตเตอรี่ สามารถจัดการลำดับการทำงานของระบบไฟฟ้า จ่ายไฟให้กับโหลดได้หลากหลาย และป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน แรงดันไฟฟ้าต่ำเกิน กระแสไฟฟ้าเกิน ความผิดพลาดจากความร้อน และอื่นๆ

ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบโมดูลาร์ (PMIC) เพียงตัวเดียวสามารถจัดการแหล่งจ่ายไฟภายนอกได้หลายแหล่ง โดยกำหนดแรงดันเอาต์พุตของตัวควบคุมให้เหมาะสมกับความต้องการของระบบต่างๆ นอกจากนี้ยังสามารถใช้กับโปรเซสเซอร์ ตัวควบคุมระบบ และแอปพลิเคชันปลายทางต่างๆ ได้ โดยเพียงแค่เปลี่ยนการตั้งค่ารีจิสเตอร์หรือเฟิร์มแวร์ที่เกี่ยวข้องโดยไม่ต้องออกแบบวงจรรวม (IC) ใหม่

ตลาด PMIC กำลังเติบโตอย่างรวดเร็วเนื่องจากแนวโน้มปัจจุบันหลายประการ หนึ่งในแนวโน้มนั้นคือความต้องการของผู้บริโภคที่ต้องการอุปกรณ์พกพาแบบไร้สาย ซึ่งส่งผลให้มีความต้องการอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ใช้แบตเตอรี่เป็นจำนวนมาก และส่งผลให้ต้องใช้โซลูชันการจัดการพลังงานแบบบูรณาการสูงขึ้น ดังแสดงในรูปที่ 1-7 รูปนี้แสดงให้เห็นว่าโซลูชัน PMIC ของ Qorvo ช่วยลดจำนวนส่วนประกอบและขนาดโดยรวมของโซลูชันได้อย่างมาก

         

ในขณะเดียวกัน ผู้บริโภคและผู้ผลิตต่างก็เรียกร้องผลิตภัณฑ์ที่ประหยัดพลังงาน เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มากขึ้นเรื่อยๆ กระแส "สีเขียว" ทั่วโลกได้เพิ่มความต้องการผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีระบบจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพ ทำให้การจัดการพลังงานกลายเป็นคุณสมบัติที่สำคัญและได้รับความนิยมอย่างมาก

PMIC แบบครบวงจร
     

เหตุผลสำคัญที่ทำให้ PMIC ในปัจจุบันถูกใช้งานอย่างแพร่หลายคือ สามารถตอบสนองฟังก์ชันการควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้หลายอย่างหรือทั้งหมดในแอปพลิเคชัน (ดังแสดงในรูปที่ 1-8) PMIC ที่ใช้งานได้หลากหลายเหล่านี้สามารถปรับแต่งได้ผ่านเฟิร์มแวร์สำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย ช่วยลดต้นทุนสูงในการเปลี่ยนแปลงวงจรฮาร์ดแวร์ คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้สามารถสลับระหว่างแอปพลิเคชันได้อย่างราบรื่น จึงช่วยลดระยะเวลาในการออกสู่ตลาด

         

ข้อสงวนสิทธิ์: บทความนี้คัดลอกมาจาก "ซินชุนเช่อ" ซึ่งสนับสนุนการคุ้มครองทรัพย์สินทางปัญญา โปรดระบุแหล่งที่มาและผู้เขียนต้นฉบับเมื่อนำไปเผยแพร่ซ้ำ หากพบการละเมิดลิขสิทธิ์ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก

หมายเลขโทรศัพท์ของบริษัท: +86-0755-83044319
โทรสาร: +86-0755-83975897
อีเมล์: 1615456225@qq.com
QQ: 3518641314 ผู้จัดการหลี่

QQ: 332496225 ผู้จัดการชิว

ที่อยู่: ห้อง 809 อาคาร C อาคารเทคโนโลยีจ้านเทา เลขที่ 1079 ถนนหมินจือ เขตหลงหัวใหม่ เมืองเซินเจิ้น