电源管理——扫盲讲解 见笑了

雪山飞狐

电源管理——扫盲讲解 见笑了 [复制链接]

电源管理定义：
指如何将电源有效分配给系统的不同组件。通过降低组件闲置时的能耗，优秀的电源管理系统能够节能二分之一或三分之二。


电源管理设计及选择

电源回路是电路板中的一个重要组成部分,其作用是对配置电源输送过来的电流进行电压的转换,将电压变换至CPU及其他IC所能接受的内核电压值,使机器正常工作,以及对输出电流进行整形和过滤,滤除各种杂波和干扰信号以保证机器的稳定工作;在PCB设计中电源回路的主要部分一般都会考虑远离易受干扰的器件;电源回路依其工作原理可分为线性电源供电方式和开关电源供电方式.

下面对这二种供电方式进行简要介绍.

•线性电源(简称LDO)      
LDO具有成本低、封装小、外围器件少和噪音小的特点.在输出电流较小时,LDO的成本只有开关电源的几分之一.LDO的封装有TO-220、SOT23、SC70、QFN等;对于固定电压输出的使用场合,外围只需2到3个很小的电容即可构成整个方案.      
超低的输出电压噪声是LDO最大的优势,又有极高的信噪抑制比,非常适合用作对噪声敏感的RF和音频电路的供电电路;同时在线性电源中因没有开关时大的电流变化所引发的电磁干扰(EMI),所以便于设计.      
但LDO的缺点是低效率,且只能用于降压的场合.LDO的效率取决于输出电压与输入电压之比:η=Vout/Vin.在输入电压为3.6V(单节锂电池)的情况下,输出电压为3V时,效率为90.9%,而在输出电压为1.5V时,效率则下降为41.7%.这样低的效率在输出电流较大时,不仅会浪费很多电能,而且会造成芯片发热影响系统稳定性,当然,对于采用外置电源适配器供电时这一点可以不做特别考虑.

•开关式电源(简称DC-DC) 1)电感式开关电源:
电感式开关电源是利用电感作为主要的储能元件,为负载提供持续不断的电流.通过不同的拓扑结构,这种电源可以完成降压、升压和电压反转的功能. 电感式开关电源具有非常高的转换效率.在产品工作时主要的电能损耗包括:内置或外置MOS管的导通损耗,主要与占空比和MOS管的导通电阻有关;动态损耗,包括高侧和低侧MOS管同时导通时的开关损耗和驱动MOS管开关电容的电能损耗,主要与输入电压和开关频率有关;静态损耗,主要与IC内部的漏电流有关.   
在电流负载较大时,这些损耗都相对较小,所以电感式开关电源可以达到95%的效率.但是在负载较小时,这些损耗就会相对变得大起来,影响效率.这时一般通过两种方式降低导通损耗和动态损耗,
一是PWM模式:开关频率不变,调节占空比.
二是PFM模式:占空比相对固定,调节开关频率.
1）电感式开关电源的缺点在于电源方案的整体面积较大(主要是电感和电容),输出电压的纹波较大.在PCB布板时必须格外小心以避免电磁干扰(EMI).
2）电容式开关电源电荷泵利用电容作为储能元件,其内部的开关管阵列控制着电容的充放电.为了减少由于开关造成的EMI和电压纹波,很多IC中采用双电荷泵的结构.电荷泵同样可以完成升压、降压和反转电压的功能. 由于电荷泵内部机构的关系,当输出电压与出入电压成一定倍数关系时,比如2倍或1.5倍,最高的效率可达90%以上.但是效率会随着两者之间的比例关系而变化,有时效率也可低至70%以下.所以设计者应尽量利用电荷泵的最佳转换工作条件. 由于储能电容的限制,输出电压一般不超过输入电压的3倍,而输出电流不超过300mA.电荷泵特性介于LDO和电感式开关电源之间,具有较高的效率和相对简单的外围电路设计,EMI和纹波的特性居中,但是有输出电压和输出电流的限制.

电源管理对电子设备日趋重要,一个高效的系统是要将电源管理的观念贯穿于设计的每一个环节,并且平衡系统多方面因素设计完成的.随着半导体技术和电路设计技术的发展,会有越来越多的节能技术涌现,为电子产品的不断发展助力.

小志

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