科普丨电源管理的类型

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当今的电源管理集成电路可在电子系统中执行多种功能,例如 :

  • 直流到直流转换和/或调节
  • 提供多个电源轨
  • 电池充电和管理
  • 有选择地管理输送给系统组件的电力,以便优化电源使用
  • 调节系统电源,以便降低功耗或延长电池寿命
  • 电源选择
  • 电源轨排序
  • 电源轨斜升或斜降定时
  • 限制电流,保护组件免受过电压或过电流故障的影响
  • 向系统控制器发出电源故障警报
  • 提供备用电源

电源管理功能正越来越多地与设计中的其他硬件组件结合在一起,以便保持效率并简化整个系统层面的控制。本章介绍在为特定应用选择和设计电源管理系统时需要考虑的一些关键事项。

线性稳压器和开关式稳压器对比

正如我们在之前的报道《科普丨电源管理的基础知识》里讲解的那样,有两种基本类型的稳压器 :线性稳压器和开关式稳压器。这两种稳压器各有优缺点。

性稳压器提供无噪声输出,非常适合低功率输出应用。但它们的效率不高,只能用于逐步降低输出电压。开关式稳压器高效、灵活、体积小,但它们会发出高频噪声。

线性变压器已经存在了相当长一段时间。它们最初在 5 伏逻辑电压范围内工作,但现在也支持 1 至 24 伏范围内更高的电压。它们的电流容量也从低毫安范围增加到许多安培。

开关式稳压器利用开关场效应晶体管(FET)将直流(接近恒定)输入电压转换为交流波形(在两个值之间切换),然后再用电容器和电感器重新转换成输出电压不同的直流电。这样,虽然这些开关式稳压器在效率和尺寸方面具有优势,但它们会产生噪声和纹波。

噪声和纹波处理

所有开关电源、稳压器和控制器都会在输出端发出一些纹波和噪声。纹波和噪声表现为叠加在直流输出电压上的交流波形。纹波和噪声是系统开关拓扑、开关频率及其外部滤波组件的产物。

开关电源的纹波波形表示开关频率下输出滤波电容的充电和放电。通过功率级开启和关闭输入电压,从而控制和调节输出电压。输出滤波用于减少因脉宽调制(PWM)或脉冲频率调制(PFM)信号的开 / 关转换动作而产生的交流纹波。对输出波形进行滤波可大大减少纹波,但却永远无法彻底消除交流纹波。

开关式稳压器中的电磁干扰控制

在开关式稳压器中,直流电压被转换为斩波或脉冲波形。这种脉冲波形本质上是“有噪声的”,某些情况下可产生电磁干扰(EMI)。电磁干扰出现在脉冲波形上升和下降时间电源开关频率的基波和谐波上。

所有半导体和电容器都有与其构造相关的某些寄生电感。印刷电路板布局上的走线也具有寄生电感。当脉冲波形中的谐波频率与这些寄生电感相互作用时,可产生潜在干扰通信信号或敏感的模拟功能的电磁干扰。

电源设计必须在电磁干扰、尺寸和效率之间进行权衡。对于任何特定的设计,一次只能使这些权衡因素中的两项达到最优化。在牺牲尺寸和成本的情况下,可通过加快开关转换并添加其他滤波组件来减少低频噪声。也可在牺牲效率的情况下,通过调整脉冲波形上升和下降时间来减少高频噪声。由于电源管理集成电路的电源组件是集成的,减小了布局和寄生电感,因此其自身即可减少噪声。

此外,电源管理集成电路还可优化脉冲波形的上升和下降时间、开关频率和占空比,从而生成各种输出电压,在最大限度地提高效率的同时使电磁干扰降到最低。

考虑效率和热管理

在半导体器件设计中,效率是最重要的特性之一。效率是在输入和输出电压条件已知的情况下,在给定负载电流下测得的输出功率和输入功率之比。效率较低会导致功耗更大、工作温度更高。

效率与系统散热、各个组件以及产品尺寸直接相关。随着温度升高,性能和效率会有所降低。应用或设备的热特性还决定了组件和整个产品的可靠性。热量较多会缩短产品寿命、降低可靠性。设计人员必须最大限度地减少部件的产热量,否则可能导致热失控,从而造成系统或部件损坏。

有多个因素会影响直流电源的效率和热运行,其中包括 :

  • 传导损耗:稳压器和系统组件中的典型电阻损耗。
  • 开关损耗:因电容充放电或稳压器功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)或二极管中电压和电流转换引起的损耗。
  • 过电流:输出负载电流大于规定值或期望值且电源过载的情况。
  • 温度过高:系统或电源的总体工作温度高于期望值或最大额定值的情况。较高温度下部件电阻增加,损耗更大。
  • 过电压:输出电压高于规定的直流电压、系统中过剩功率浪费的情况。

来源: Qorvo半导体

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