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纯净的硅(高级)

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掌握电源基础知识

某个设备或电子系统所需要的 DC 电源管理子系统的类型取决于该设备或系统的电源。可能的电源包括 AC、电池、DC 以及超低功耗 DC(能量采集)。绝大多数由电池供电的电子产品使用锂离子(Li-ion)或锂聚合物(LiPo)电池。一个电池组可能包含几块电池,通过串联或者并联方式连接起来。图 1-1 是一些示例。

 

以下是每种连接配置下的电压和电流性能:

  • 串联电池可提高电池组电压,同时提高整个电池组容量。

  • 并联电池不能提高电池组电压,但会提高整个电池组的电流控制能力和电流容量。

  • 串并联电池可同时提高电压、电流控制能力、电流容量。

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在一些由电池供电的应用中,系统组件可能无法直接使用电池电力。这些组件可能需要一个更低或者更高的电压才能正常运行。在充放电过程中,电池的电压也会发生变化。DC-DC 转换器可用来监控这种未调节的电池输入电压并使其保持稳定。这些转换器通常被称为稳压器,因为它们可以根据需要提高、降低或者调节电压(如图 1-2 所示),然后把调整后的电压提供给系统子组件使用。

DC-DC 稳压器包括隔离型和非隔离型,取决于输入接地是否与输出接地相连:

  • 隔离转换器用于对输入和输出电压进行隔离,一般采用变压器或电容式电力传输。

  • 非隔离转换器有一条连接输入接地和输出接地的 DC 通路,并共享输入和输出接地连接。

 

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DC-DC 稳压器分类

根据所用的电压转换方式,DC 稳压器共分两类:线性稳压器和开关式稳压器。这是两种基本稳压器类型,用于相机、手机、可穿戴设备以及计算机等电子设备。设计工程师将基于输入电压、输出电压以及所需的电流负荷,为其系统设计选择适当的 DC 稳压器。

线性稳压器

线性稳压器可把输入电压(VIN)转换为不同的输出电压(VOUT),使用一个线性组件(即电阻型组件)来调节输出电压 VOUT。线性稳压器的一般特性:

  • 耗散电能。

  • 用于低电流和低电源轨。

  • 效能不高。

  • 用于低噪音电源。

  • 低波纹和低噪音特性使其适合灵敏的模拟集成电路,如传感器、锁相环路等。

对于线性稳压器,一种重要的类型是低压差(LDO)线性稳压器。在 VIN和 VOUT 相差很小时,LDO。能持续输出稳定的 VOUT

开关式稳压器

开关式稳压器通过一个开关元件转换 VIN 到不同的 VOUT,并使用外部电感和电容来稳定输出电压 VOUT。开关式稳压器通常效率更高,支持比线性稳压器更高的输出电流。但输出被调节后仍有波纹或开关噪声,即使经滤波后仍然存在。

按照输入与输出电压间的关系,开关式稳压器分类如下:

  • 降压型开关式稳压器:VOUT 低于 VIN

  • 升压型开关式稳压器:VOUT 高于 VIN

  • 降压-升压型开关式稳压器:VOUT 可变,可低于、高于或等于VIN

以上是设计工程师常用的四种稳压器拓扑⸺LDO 以及三种开关式稳压器(降压型、升压型、降压 - 升压型)。在下面几节,我们将详细介绍这四种稳压器。

LDO 稳压器

低压差线性稳压器是一种 DC 线性稳压器,可以在供电电压和输出电压非常接近时调节输出电压水平。对于 LDO,跌落电压应尽可能最小,这样可以尽量减少电量耗散,最大限度地提高系统效率(如图 1-3 所示)。

 

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与开关式稳压器相比,LDO 通常具有更高的电源供应抑制比(PSRR),意味着 LDO 可以生成低噪声输出电压。LDO 一般不产生任何波纹,在降低输入电源噪声或波纹方面非常有用。LDO 待机电流消耗低,这使得它成为便携式和无线应用的绝佳解决方案。

降压型转换器

这里 Buck 的意思是“降低”或“减弱”。降压转换器是一个减弱型转换稳压器,可以高效输出低于 VIN 的 VOUT。降压型电路包含电感、开关场效应晶体管(FET)或二极管、电容以及具有开关控制电路的误差放大器(如图 1-4 所示)。降压转换器会改变金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的开启时间,然后把电能应用到感应器上。降压转换器有很高的效率,因为 MOSFET 或者完全开启,或者完全关闭。在开和关(阻抗)两种状态之间,降压转换器不工作,这一点与线性稳压器不同。

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降压转换器会产生切换波形,波形为脉宽调制(PWM)模式或脉冲频率调制(PFM)模式,然后使用外部电感和电容滤波组件进行滤波,最后生成平滑的输出电压 VOUT。这种电压转换方式效率很高,可延长电池寿命、降低系统发热、减小产品尺寸。

降压型转换器用在很多通过 USB 取电的应用以及其他计算机外设中。同时也用在智能手机、平板电脑、移动设备以及其他很多电子设备中。

升压型转换器

Boost 在这里的意思是“增强”。升压转换器把 VIN 升高,产生 VOUT。例如,当您想把 3.3 伏 DC 输入电压转换为 5.0 伏的输出电压时 VOUT 时,升压转换器会很方便。这种升压操作常见于很多锂离子或锂聚合物电池应用。

 

升压电路与降压电路包含同样的组件(感应器、开关场效应晶体管 [FET]或二极管、电容器、带开关控制电路的误差放大器),但是具有不同的连接方式。升压电路同样通过控制 MOSFET 的开启时间把电能应用到感应器来工作。(如图 1-5 所示)。

 

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降压 - 升压型转换器

降压 - 升压型转换器是一个开关模式转换器,在单一稳压器中结合了降压和升压两种方式。它可以处理大范围的输入和输出电压。控制电路调节MOSFET 的开关时间,降低或提高输入电压,根据需要产生 VOUT(如图1-6 所示)。

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除图 1-6 所示的标准降压 - 升压型之外,还存在其他类型的降压 - 升压转换器,比如 Sepic 型、Cuk 型以及 Zeta 型。这些转换器都可以调节VOUT,使之低于、高于或等于 VIN

怎么样是不是很详细,想了解电源管理集成电路,点击了解吧。

此帖出自RF/无线论坛

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串并联电池好处是组合电压比较容易,电池均衡要出来好

点评

是啊,锂电池均衡很重要的,要不然充电过程中,会造成串联单体电池电压不一致,不一致后,使用过程中,终止放电是根据这些单体电池中最低的单体电池电压停止输出电压的。 打个比方吧,好比有三个单体电池串联,假  详情 回复 发表于 2021-3-17 08:17

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火辣西米秀 发表于 2021-3-16 07:03 串并联电池好处是组合电压比较容易,电池均衡要出来好

是啊,锂电池均衡很重要的,要不然充电过程中,会造成串联单体电池电压不一致,不一致后,使用过程中,终止放电是根据这些单体电池中最低的单体电池电压停止输出电压的。

打个比方吧,好比有三个单体电池串联,假设放电截止电压是2v,充电过程造成了,1s 为3v,2s为3.1v,3s为3.4v,那么肯定是充电少的电池1s要先到2v,而3s和2s确没有放到截止电压,会造成电池包使用率过低。锂电均衡主要原因是电池的不一致性,也就是电池内电阻不一致。铅酸就不存在的。还有做的特别好的锂电池,也不用均衡的。


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