電源管理晶片

電源管理晶片

電源管理晶片(Power Management Integrated Circuits),是在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的晶片.主要負責識別CPU供電幅值,產生相應的短矩波,推動後級電路進行功率輸出。常用電源管理晶片有HIP6301、IS6537、RT9237、ADP3168、KA7500、TL494等。

基本類型

主要電源管理晶片有的是雙列直插晶片,而有的是表面貼裝式封裝,其中HIP630x系列晶片是比較經典的電源管理晶片,由著名晶片設計公司Intersil設計。它支持兩/三/四相供電,支持VRM9.0規範,電壓輸出範圍是1.1V-1.85V,能為0.025V的間隔調整輸出,開關頻率高達80KHz,具有電源大、紋波小、內阻小等特點,能精密調整CPU供電電壓。

簡介

電源管理晶片(Power Management Integrated Circuits),是在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其他電能管理的職責的晶片。電源管理晶片既有直插式封裝的,也有表面黏貼式封裝的。電源管理晶片的套用範圍十分廣泛,發展電源管理晶片對於提高整機性能具有重要意義,對電源管理晶片的選擇與系統的需求直接相關。國際知名的電源晶片生產商有凌力爾特公司、德州儀器、貝克瓦特、美國飛兆半導體公司等。

貝克瓦特科技集團 電源管理晶片貝克瓦特科技集團 電源管理晶片

提高性能

所有電子設備都有電源,但是不同的系統對電源的要求不同。為了發揮電子系統的最佳性能,需要選擇最適合的電源管理方式。

首先,電子設備的核心是半導體晶片。而為了提高電路的密度,晶片的特徵尺寸始終朝著減小的趨勢發展,電場強度隨距離的減小而線性增加,如果電源電壓還是原來的5V,產生的電場強度足以把晶片擊穿。所以,這樣,電子系統對電源電壓的要求就發生了變化,也就是需要不同的降壓型電源。為了在降壓的同時保持高效率,一般會採用降壓型開關電源。

同時,許多電子系統還需要高於供電電壓的電源,比如在電池供電設備中,驅動液晶顯示的背光電源,普通的白光LED驅動等,都需要對系統電源進行升壓,這就需要用到升壓型開關電源。

此外,現代電子系統正在向高速、高增益、高可靠性方向發展,電源上的微小干擾都對電子設備的性能有影響,這就需要在噪聲、紋波等方面有優勢的電源,需要對系統電源進行穩壓、濾波等處理,這就需要用到線性電源。

上述不同的電源管理方式,可以通過相應的電源晶片,結合極少的外圍元件,就能夠實現。可見,發展電源管理晶片是提高整機性能的必不可少的手段。

晶片選擇

電源管理的範疇比較廣,既包括單獨的電能變換(主要是直流到直流,即DC/DC),單獨的電能分配和檢測,也包括電能變換和電能管理相結合的系統。相應的,電源管理晶片的分類也包括這些方面,比如線性電源晶片、電壓基準晶片、開關電源晶片、LCD驅動晶片、LED驅動晶片、電壓檢測晶片、電池充電管理晶片等。下面簡要介紹一下電源管理晶片的主要類型和套用情況。

如果所設計的電路要求電源有高的噪音和紋波抑制,要求占用PCB板面積小(如手機等手持電子產品),電路電源不允許使用電感器(如手機),電源需要具有瞬時校準和輸出狀態自檢功能,要求穩壓器壓降及自身功耗低,線路成本低且方案簡單,那么線性電源是最恰當的選擇。這種電源包括如下的技術:精密的電壓基準,高性能、低噪音的運放,低壓降調整管,低靜態電流。

在小功率供電、運放負電源、LCD/LED驅動等場合,常套用基於電容的開關電源晶片,也就是通常所說的電荷泵(Charge Pump)。基於電荷泵工作原理的晶片產品很多,比如AAT3113。這是一種由低噪聲、恆定頻率的電荷泵DC/DC轉換器構成的白光LED驅動晶片。AAT3113採用分數倍(1.5×)轉換以提高效率。該器件採用並聯方式驅動4路LED。輸入電壓範圍為2.7V~5.5V,可為每路輸出提供約20mA的電流。該器件還具備熱管理系統特性,以保護任何輸出引腳所出現的短路。其嵌入的軟啟動電路可防止啟動時的電流過沖。AAT3113利用簡單串列控制接口對晶片進行使能、關斷和32級對數刻度亮度控制。

而基於電感的開關電源晶片的套用範圍最廣泛,套用包括掌上電腦、相機、備用電池、攜帶型儀器、微型電話、電動機速度控制、顯示偏置和顏色調整器等。開關電源分為降壓型開關電源(Buck)、升壓型開關電源(Boost)和升降壓開關電源(Buck-Boost)。主要的技術包括:BOOST結構電流模式環路穩定性分析,BUCK結構電壓模式環路穩定性分析,BUCK結構電流模式環路穩定性分析,過流、過溫、過壓和軟啟動保護功能,同步整流技術分析,基準電壓技術分析。

除了基本的電源變換晶片,電源管理晶片還包括以合理利用電源為目的的電源控制類晶片。如NiH電池智慧型快速充電晶片,鋰離子電池充電、放電管理晶片,鋰離子電池過壓、過流、過溫、短路保護晶片;線上路供電和備用電池之間進行切換管理的晶片,USB電源管理晶片;電荷泵,多路LDO供電,加電時序控制,多種保護,電池充放電管理的複雜電源晶片等。

目前的很多產品都在朝這個方向發展,因為這類產品的套用更加廣泛,特別是在消費類電子方面。比如攜帶型DVD、手機、數位相機等,幾乎用1塊-2塊電源管理晶片就能夠提供複雜的多路電源,使系統的性能發揮到最佳。

數字電源晶片

電子設備所具備的功能越多、性能越高,其結構、技術、系統就越複雜,傳統的模擬技術電源管理IC滿足系統整體電源管理要求的難度也就越大,價格也更加昂貴。高性能全數字控制IC是目前智慧型化電源管理領域的發展趨勢,有靈活、快速回響、高集成度以及高度可控的巨大優勢。目前全球一些老牌半導體廠商率先投入到這個新的競技場。德州儀器、貝克瓦特、凌力爾特等公司紛紛推出各自的數字電源產品。其中,貝克瓦特的智慧型數字控制也是LED照明技術的一大進步,不僅實現了極高的性能水平,又同時降低了系統成本。通過在傳統模擬系統中提供一個數字核心,套用工程師可以更輕鬆地進行微調,針對具體的LED設計實現效率、電流調節和系統成本的適當平衡,使其靈活性遠遠超過了任何傳統的純模擬解決方案。BT6943就是貝克瓦特科技集團推出的一種採用智慧型數字控制技術的新型LED驅動器積體電路。

數字控制器的核心主要由三個特殊模組組成:抗混疊(anti-aliasing)濾波器、模數轉換器(ADC)和數字脈衝寬度調製器(DPWM)。為了達到與模擬控制架構同等的性能指標,必須具備高解析度、高速和線性ADC以及高解析度、高速PWM電路設計。ADC解析度必須能夠滿足誤差小於輸出電壓允許變化的範圍,所需的輸出電壓紋波越小,則對ADC的解析度要求越高。同時,由於抗混疊濾波器以及流水線式或SAR模數轉換器會引入環路延時,所以我們迫切需要高採樣速率的模數轉換器。模擬控制器對所產生的可能脈衝寬度存在固有的限制,而DPWM可以產生離散和有限的PWM寬度集。從穩定狀態下的輸出角度看,只可能有一組離散的輸出電壓。由於DPWM是反饋環路中的一部分,因此DPWM的解析度必須足夠高才能使輸出不顯示眾所周知的極限周值。不顯示任何極限周值所需的最少位數取決於拓撲、輸出電壓和ADC解析度。同時,系統的環路穩定性由PI或者PID控制器來調整。目前與模擬控制架構相比,數字控制架構的成本將大幅增加。

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