电源管理芯片工作原理和应用

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电源管理芯片工作原理和应用 [复制链接]

本文主要是关于电源管理芯片的相关介绍，并着重对电源管理芯片进行了详尽的阐述。

　　电源管理芯片

　　电源管理芯片（Power Management Integrated Circuits），是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片。主要负责识别CPU供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。常用电源管理芯片有HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。

　　基本类型

　　主要电源管理芯片有的是双列直插芯片，而有的是表面贴装式封装，其中HIP630x系列芯片是比较经典的电源管理芯片，由著名芯片设计公司Intersil设计。它支持两/三/四相供电，支持VRM9.0规范，电压输出范围是1.1V-1.85V，能为0.025V的间隔调整输出，开关频率高达80KHz，具有电源大、纹波小、内阻小等特点，能精密调整CPU供电电压。

　　应用范围

　　电源管理芯片的应用范围十分广泛，发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义，对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关，而数字电源管理芯片的发展还需跨越成本难关。

　　当今世界，人们的生活已是片刻也离不开电子设备。电源管理芯片在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其它电能管理的职责。电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的，其性能的优劣对整机的性能有着直接的影响。

　　提高性能

　　所有电子设备都有电源，但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能，需要选择最适合的电源管理方式。

　　首先，电子设备的核心是半导体芯片。而为了提高电路的密度，芯片的特征尺寸始终朝着减小的趋势发展，电场强度随距离的减小而线性增加，如果电源电压还是原来的5V，产生的电场强度足以把芯片击穿。所以，这样，电子系统对电源电压的要求就发生了变化，也就是需要不同的降压型电源。为了在降压的同时保持高效率，一般会采用降压型开关电源。

　　同时，许多电子系统还需要高于供电电压的电源，比如在电池供电设备中，驱动液晶显示的背光电源，普通的白光LED驱动等，都需要对系统电源进行升压，这就需要用到升压型开关电源。

　　此外，现代电子系统正在向高速、高增益、高可靠性方向发展，电源上的微小干扰都对电子设备的性能有影响，这就需要在噪声、纹波等方面有优势的电源，需要对系统电源进行稳压、滤波等处理，这就需要用到线性电源。

　　上述不同的电源管理方式，可以通过相应的电源芯片，结合极少的外围元件，就能够实现。可见，发展电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段。

　　选择因素

　　电源管理的范畴比较广，既包括单独的电能变换（主要是直流到直流，即DC/DC），单独的电能分配和检测，也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的，电源管理芯片的分类也包括这些方面，比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。下面简要介绍一下电源管理芯片的主要类型和应用情况。

　　如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制，要求占用PCB板面积小（如手机等手持电子产品），电路电源不允许使用电感器（如手机），电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能，要求稳压器压降及自身功耗低，线路成本低且方案简单，那么线性电源是最恰当的选择。这种电源包括如下的技术：精密的电压基准，高性能、低噪音的运放，低压降调整管，低静态电流。

　　在小功率供电、运放负电源、LCD/LED驱动等场合，常应用基于电容的开关电源芯片，也就是通常所说的电荷泵（Charge Pump）。基于电荷泵工作原理的芯片产品很多，比如AAT3113。这是一种由低噪声、恒定频率的电荷泵DC/DC转换器构成的白光LED驱动芯片。AAT3113采用分数倍（1.5×）转换以提高效率。该器件采用并联方式驱动4路LED。输入电压范围为2.7V～5.5V，可为每路输出提供约20mA的电流。该器件还具备热管理系统特性，以保护任何输出引脚所出现的短路。其嵌入的软启动电路可防止启动时的电流过冲。AAT3113利用简单串行控制接口对芯片进行使能、关断和32级对数刻度亮度控制。

　　而基于电感的DC/DC芯片的应用范围最广泛，应用包括掌上电脑、相机、备用电池、便携式仪器、微型电话、电动机速度控制、显示偏置和颜色调整器等。主要的技术包括：BOOST结构电流模式环路稳定性分析，BUCK结构电压模式环路稳定性分析，BUCK结构电流模式环路稳定性分析，过流、过温、过压和软启动保护功能，同步整流技术分析，基准电压技术分析。

　　除了基本的电源变换芯片，电源管理芯片还包括以合理利用电源为目的的电源控制类芯片。如NiH电池智能快速充电芯片，锂离子电池充电、放电管理芯片，锂离子电池过压、过流、过温、短路保护芯片；在线路供电和备用电池之间进行切换管理的芯片，USB电源管理芯片；电荷泵，多路LDO供电，加电时序控制，多种保护，电池充放电管理的复杂电源芯片等。

　　特别是在消费类电子方面。比如便携式DVD、手机、数码相机等，几乎用1块-2块电源管理芯片就能够提供复杂的多路电源，使系统的性能发挥到最佳。

　　常见电源管理IC芯片

　　在日常生活中，人们对电子设备的依赖越来越严重，电子技术的更新换代，也同时意味着人们对电源的技术发展寄予厚望，下面就为大家介绍电源管理技术的主要分类。

　　电源管理半导体从所包含的器件来说，明确强调电源管理集成电路（电源管理IC，简称电源管理芯片）的位置和作用。电源管理半导体包括两部分，即电源管理集成电路和电源管理分立式半导体器件。

　　在日常生活中，人们对电子设备的依赖越来越严重，电子技术的更新换代，也同时意味着人们对电源的技术发展寄予厚望，下面就为大家介绍电源管理技术的主要分类。

　　电源管理半导体从所包含的器件来说，明确强调电源管理集成电路（电源管理IC，简称电源管理芯片）的位置和作用。电源管理半导体包括两部分，即电源管理集成电路和电源管理分立式半导体器件。

　　电源管理集成电路包括很多种类别，大致又分成电压调整和接口电路两方面。电压凋整器包含线性低压降稳压器（即LDO），以及正、负输出系列电路，此外 不有脉宽调制（PWM）型的开关型电路等。因技术进步，集成电路芯片内数字电路的物理尺寸越来越小，因而工作电源向低电压发展，一系列新型电压调整器应运 而生。电源管理用接口电路主要有接口驱动器、马达驱动器、功率场效应晶体管（MOSFET）驱动器以及高电压/大电流的显示驱动器等等。

　　电源管理分立式半导体器件则包括一些传统的功率半导体器件，可将它分为两大类，一类包含整流器和晶闸管;另一类是三极管型，包含功率双极性晶体管，含有MOS结构的功率场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。

　　在某种程度上来说，正是因为电源管理IC的大量发展，功率半导体才改称为电源管理半导体。也正是因为这么多的集成电路（IC）进入电源领域，人们才更多地以电源管理来称呼现阶段的电源技术。

　　电源管理半导体本中的主导部分是电源管理IC，大致可归纳为下述8种。

　　1、AC/DC调制IC。内含低电压控制电路及高压开关晶体管。

　　2、DC/DC调制IC。包括升压/降压调节器，以及电荷泵。

　　3、功率因数控制PFC预调制 IC。提供具有功率因数校正功能的电源输入电路。

　　4、脉冲调制或脉幅调制PWM/ PFM控制IC。为脉冲频率调制和/或脉冲宽度调制控制器，用于驱动外部开关。

　　5、线性调制IC（如线性低压降稳压器LDO等）。包括正向和负向调节器，以及低压降LDO调制管。

　　6、电池充电和管理IC。包括电池充电、保护及电量显示IC，以及可进行电池数据通讯“智能”电池 IC。

　　7、热插板控制IC（免除从工作系统中插入或拔除另一接口的影响）。

　　8、MOSFET或IGBT的开关功能ic。

　　在这些电源管理IC中，电压调节IC是发展最快、产量最大的一部分。各种电源管理IC基本上和一些相关的应用相联系，所以针对不同应用，还可以列出更多类型的器件。

　　电源管理的技术趋势是高效能、低功耗、智能化。

　　提高效能涉及两个不同方面的内容：一方面想要保持能量转换的综合效率，同时还希望减小设备的尺寸;另一方面是保护尺寸不变，大幅度提高效能。

　　在交流/直流（AC/DC）变换中，低的通态电阻，符合计算机和电信应用中更加高效适配器和电源的需要。在电源电路设计方面，一般待机能耗已经降到1W以下，并可将电源效率提高至90%以上。要进一步降低现有待机能耗，则需要有新的IC制造工艺技术及在低功耗电路设计方面的突破。

　　电源管理IC应用的细分化

　　

　　与逻辑芯片和内存芯片不同，电源管理芯片在众多种类的芯片中并没有那么知名，但随着智能化理念深入生活的方方面面，各类终端产品有了更高的应用需求，对于电源管理芯片的要求也就随之提高了。

　　以手机为例，智能手机由许多不同功能的模块组成，每个模块所需供电电压各不相同，由锂电池直接供电无法满足各模块要求，因此需要一个高效率电源管理芯片，把锂电池提供的电压用不同方法按照需要进行转换和调节，达到期望的电压值，以满足各个模块的需要。例如，SDRAM、闪存（Flash Memory）等数字电路由于受到制造工艺的限制，需要较低的供电电压；而模拟电路、射频电路和显示部分则需要一个较高的供电电压。此外，电源管理IC还需要根据系统的工作状态信息动态调节各个模块的供电电压值，实现优化控制，减小功耗，从而提高系统的效率，缩小产品体积，降低成本。因此，电源管理IC已经成为电子产品系统设计中一个最基本也是最重要的部分。

　　随着应用的不断创新，电源管理IC的市场也呈现出需求多样化，应用细分化，更多高性能电源管理IC的市场需求也不断深化扩展，更好地为满足系统创新，性能提升而服务。截止2016年，手机电源管理芯片市场年复合增长率（CAGR）为11.7%移动基础设施为13.1%，数字机顶盒为12.3%。2014-2020年，中国电源管理芯片年均增长率将近8.4%，至2020年市场规模将达1200亿元左右。