淺談電源管理的特定應(yīng)用選擇和設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)時(shí)需要考慮關(guān)鍵事項(xiàng)

當(dāng)今的電源管理集成電路可在電子系統(tǒng)中執(zhí)行多種功能，例如 ：

直流到直流轉(zhuǎn)換和/或調(diào)節(jié)

提供多個(gè)電源軌

電池充電和管理

有選擇地管理輸送給系統(tǒng)組件的電力，以便優(yōu)化電源使用

調(diào)節(jié)系統(tǒng)電源，以便降低功耗或延長電池壽命

電源選擇

電源軌排序

電源軌斜升或斜降定時(shí)

限制電流，保護(hù)組件免受過電壓或過電流故障的影響

向系統(tǒng)控制器發(fā)出電源故障警報(bào)

提供備用電源

電源管理功能正越來越多地與設(shè)計(jì)中的其他硬件組件結(jié)合在一起，以便保持效率并簡化整個(gè)系統(tǒng)層面的控制。本章介紹在為特定應(yīng)用選擇和設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)時(shí)需要考慮的一些關(guān)鍵事項(xiàng)。

線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器對(duì)比

正如我們?cè)谥暗膱?bào)道《科普丨電源管理的基礎(chǔ)知識(shí)》里講解的那樣，有兩種基本類型的穩(wěn)壓器 ：線性穩(wěn)壓器和開關(guān)式穩(wěn)壓器。這兩種穩(wěn)壓器各有優(yōu)缺點(diǎn)。

性穩(wěn)壓器提供無噪聲輸出，非常適合低功率輸出應(yīng)用。但它們的效率不高，只能用于逐步降低輸出電壓。開關(guān)式穩(wěn)壓器高效、靈活、體積小，但它們會(huì)發(fā)出高頻噪聲。

線性變壓器已經(jīng)存在了相當(dāng)長一段時(shí)間。它們最初在 5 伏邏輯電壓范圍內(nèi)工作，但現(xiàn)在也支持 1 至 24 伏范圍內(nèi)更高的電壓。它們的電流容量也從低毫安范圍增加到許多安培。

開關(guān)式穩(wěn)壓器利用開關(guān)場效應(yīng)晶體管（FET）將直流（接近恒定）輸入電壓轉(zhuǎn)換為交流波形（在兩個(gè)值之間切換），然后再用電容器和電感器重新轉(zhuǎn)換成輸出電壓不同的直流電。這樣，雖然這些開關(guān)式穩(wěn)壓器在效率和尺寸方面具有優(yōu)勢，但它們會(huì)產(chǎn)生噪聲和紋波。

噪聲和紋波處理

所有開關(guān)電源、穩(wěn)壓器和控制器都會(huì)在輸出端發(fā)出一些紋波和噪聲。紋波和噪聲表現(xiàn)為疊加在直流輸出電壓上的交流波形。紋波和噪聲是系統(tǒng)開關(guān)拓?fù)?、開關(guān)頻率及其外部濾波組件的產(chǎn)物。

開關(guān)電源的紋波波形表示開關(guān)頻率下輸出濾波電容的充電和放電。通過功率級(jí)開啟和關(guān)閉輸入電壓，從而控制和調(diào)節(jié)輸出電壓。輸出濾波用于減少因脈寬調(diào)制（PWM）或脈沖頻率調(diào)制（PFM）信號(hào)的開 / 關(guān)轉(zhuǎn)換動(dòng)作而產(chǎn)生的交流紋波。對(duì)輸出波形進(jìn)行濾波可大大減少紋波，但卻永遠(yuǎn)無法徹底消除交流紋波。

開關(guān)式穩(wěn)壓器中的電磁干擾控制

在開關(guān)式穩(wěn)壓器中，直流電壓被轉(zhuǎn)換為斬波或脈沖波形。這種脈沖波形本質(zhì)上是“有噪聲的”，某些情況下可產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。電磁干擾出現(xiàn)在脈沖波形上升和下降時(shí)間電源開關(guān)頻率的基波和諧波上。

所有半導(dǎo)體和電容器都有與其構(gòu)造相關(guān)的某些寄生電感。印刷電路板布局上的走線也具有寄生電感。當(dāng)脈沖波形中的諧波頻率與這些寄生電感相互作用時(shí)，可產(chǎn)生潛在干擾通信信號(hào)或敏感的模擬功能的電磁干擾。

電源設(shè)計(jì)必須在電磁干擾、尺寸和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。對(duì)于任何特定的設(shè)計(jì)，一次只能使這些權(quán)衡因素中的兩項(xiàng)達(dá)到最優(yōu)化。在犧牲尺寸和成本的情況下，可通過加快開關(guān)轉(zhuǎn)換并添加其他濾波組件來減少低頻噪聲。也可在犧牲效率的情況下，通過調(diào)整脈沖波形上升和下降時(shí)間來減少高頻噪聲。由于電源管理集成電路的電源組件是集成的，減小了布局和寄生電感，因此其自身即可減少噪聲。

此外，電源管理集成電路還可優(yōu)化脈沖波形的上升和下降時(shí)間、開關(guān)頻率和占空比，從而生成各種輸出電壓，在最大限度地提高效率的同時(shí)使電磁干擾降到最低。

考慮效率和熱管理

在半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)中，效率是最重要的特性之一。效率是在輸入和輸出電壓條件已知的情況下，在給定負(fù)載電流下測得的輸出功率和輸入功率之比。效率較低會(huì)導(dǎo)致功耗更大、工作溫度更高。

效率與系統(tǒng)散熱、各個(gè)組件以及產(chǎn)品尺寸直接相關(guān)。隨著溫度升高，性能和效率會(huì)有所降低。應(yīng)用或設(shè)備的熱特性還決定了組件和整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。熱量較多會(huì)縮短產(chǎn)品壽命、降低可靠性。設(shè)計(jì)人員必須最大限度地減少部件的產(chǎn)熱量，否則可能導(dǎo)致熱失控，從而造成系統(tǒng)或部件損壞。

有多個(gè)因素會(huì)影響直流電源的效率和熱運(yùn)行，其中包括 ：

傳導(dǎo)損耗：穩(wěn)壓器和系統(tǒng)組件中的典型電阻損耗。

開關(guān)損耗：因電容充放電或穩(wěn)壓器功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFETs）或二極管中電壓和電流轉(zhuǎn)換引起的損耗。

過電流：輸出負(fù)載電流大于規(guī)定值或期望值且電源過載的情況。

溫度過高：系統(tǒng)或電源的總體工作溫度高于期望值或最大額定值的情況。較高溫度下部件電阻增加，損耗更大。

過電壓：輸出電壓高于規(guī)定的直流電壓、系統(tǒng)中過剩功率浪費(fèi)的情況。
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