電源電路是所有電子設(shè)備中的公共級(jí)，無論它們是電池供電的，還是外部直流電或交流電的。整個(gè)系統(tǒng)的性能、可靠性和效率都取決于這個(gè)基本電路。

多年來，電源管理電路經(jīng)歷了快速發(fā)展，從基于分立元件（笨重、昂貴且設(shè)計(jì)復(fù)雜）的解決方案過渡到更加緊湊、高效、易于管理和可根據(jù)應(yīng)用程序的要求。

當(dāng)今高度集成和可編程電源解決方案的內(nèi)置智能消除了對(duì)外部組件的需求，大大簡化了設(shè)計(jì)過程。通過這樣做，材料清單更便宜，系統(tǒng)更有效，并且單個(gè)集成電路包含系統(tǒng)控制和靈活性。

本文基于 Qorvo 出版的“For dummies”系列電子書 [1]，將介紹每位設(shè)計(jì)師、創(chuàng)客或?qū)W生在面對(duì)電源管理應(yīng)用時(shí)必須掌握的基本概念。

電源

電源的主要類型包括交流、直流、電池和超低功耗直流（能量收集）。

大多數(shù)電池供電應(yīng)用使用鋰離子 (Li-ion) 或鋰聚合物 (LiPo) 電池，通常串聯(lián)或并聯(lián)組合形成電池組。當(dāng)串聯(lián)連接時(shí)，電池會(huì)增加電池組電壓和電池組容量。當(dāng)并聯(lián)連接時(shí)，它們會(huì)增加整體電流和容量。

另一個(gè)相關(guān)組件是DC-DC轉(zhuǎn)換器，用于將直流電壓從一個(gè)值轉(zhuǎn)換為另一個(gè)值（例如，將四節(jié)1.5V電池提供的6V電壓轉(zhuǎn)換為電路所需的5V直流電壓）。如果輸出電壓高于或低于輸入電壓，則 DC-DC 穩(wěn)壓器分別稱為升壓或降壓。DC-DC轉(zhuǎn)換器可分為兩組：

隔離式轉(zhuǎn)換器：出于安全原因，輸出通過變壓器或電容式功率傳輸與輸入隔離

非隔離轉(zhuǎn)換器：它們具有從輸入到輸出接地的直流路徑，并共享輸入和輸出接地連接。

線性和開關(guān)穩(wěn)壓器

根據(jù)它們采用的電壓轉(zhuǎn)換方法，直流穩(wěn)壓器可分為開關(guān)式或線性式。設(shè)計(jì)工程師必須根據(jù)輸入電壓、輸出電壓和預(yù)期電流負(fù)載為其系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇直流穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器

線性穩(wěn)壓器使用線性組件（即電阻組件）將輸入電壓 V IN轉(zhuǎn)換為（通常不同的）穩(wěn)壓輸出電壓 V OUT 。

線性轉(zhuǎn)換器的典型特性如下：

不可忽略的功耗（產(chǎn)生熱量）

適合低功率和低電流應(yīng)用

效率嚴(yán)格取決于電壓差 V OUT – V IN

噪聲和射頻輻射可忽略不計(jì)

適用于傳感器和鎖相環(huán)等敏感模擬IC

一種特殊類型的線性穩(wěn)壓器是 LDO（低壓差穩(wěn)壓器）。LDO 是一種直流線性穩(wěn)壓器，即使在輸入電壓非常接近輸出電壓時(shí)也可以調(diào)節(jié)輸出電壓。由于電壓差 (V OUT – V IN ) 在這種情況下非常小，因此 LDO 可以實(shí)現(xiàn)高效率。LDO 穩(wěn)壓器的典型表示和響應(yīng)如圖 1 所示。

如前所述，LDO 由于其高電源抑制比 (PSRR)，通常會(huì)產(chǎn)生低噪聲和無紋波的輸出電壓。還考慮到它們的低待機(jī)電流消耗，LDO 適用于便攜式和無線應(yīng)用。

圖 1：LDO 電路和響應(yīng)（：[1]）

開關(guān)穩(wěn)壓器

開關(guān)穩(wěn)壓器通過開關(guān)元件將 V IN轉(zhuǎn)換為不同的 V OUT，并使用外部電感器和電容器來平滑輸出電壓。與線性穩(wěn)壓器相比，開關(guān)穩(wěn)壓器通常效率更高，并且可以支持更高的電流輸出。然而，穩(wěn)壓輸出電壓受紋波或開關(guān)噪聲的影響，無法通過濾波完全抑制。

開關(guān)穩(wěn)壓器的直流（幾乎恒定）輸入電壓通過開關(guān) FET 變?yōu)榻涣鞑ㄐ危ㄔ趦蓚€(gè)值之間切換），然后通過電容器和電感器以不同的輸出電壓轉(zhuǎn)換回直流。這些開關(guān)穩(wěn)壓器以這種方式實(shí)現(xiàn)了效率和緊湊性的優(yōu)勢(shì)，但它們也增加了噪聲和紋波。

開關(guān)穩(wěn)壓器又稱SMPS（Switched Mode Power Supply），按輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系可分為：

降壓穩(wěn)壓??器：V OUT小于 V IN

升壓穩(wěn)壓器：V OUT大于 V IN

降壓-升壓穩(wěn)壓器：V OUT可以低于、高于或等于 V IN。

降壓轉(zhuǎn)換器是一種降壓穩(wěn)壓器，包括電感器、開關(guān) FET 或二極管、電容器和帶有開關(guān)控制電路的誤差放大器（見圖 2）。它通過改變 MOSFET 導(dǎo)通和向電感器供電的時(shí)間量來運(yùn)行。

由于降壓轉(zhuǎn)換器中的 MOSFET 要么完全導(dǎo)通，要么完全關(guān)閉，因此具有很高的效率。與線性穩(wěn)壓器不同，它不會(huì)在開和關(guān)之間的電阻狀態(tài)下工作。

 

圖 2：降壓轉(zhuǎn)換器電路和響應(yīng)（：[1]）

升壓轉(zhuǎn)換器是一種升壓調(diào)節(jié)器，由與降壓轉(zhuǎn)換器相同的組件組成，但連接方式不同。它基本上通過改變 MOSFET 導(dǎo)通的時(shí)間量和向電感器供電來運(yùn)行。

，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器是一種開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器，它將降壓和升壓原理結(jié)合到單個(gè)穩(wěn)壓器中，從而處理各種輸入和輸出電壓。控制電路調(diào)整 MOSFET 的開啟和關(guān)閉時(shí)間，以根據(jù)需要降壓或升高輸入電壓以獲得所需的輸出電壓。

電源管理集成電路

電源管理 IC (PMIC) 是用于電壓轉(zhuǎn)換、電壓調(diào)節(jié)和電池管理的集成電路。其他功能包括電源系統(tǒng)排序、為多個(gè)負(fù)載供電，以及過壓、欠壓、過流和熱故障保護(hù)。

PMIC 的主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠通過單個(gè) IC 提供多個(gè)電源軌。它們對(duì)于需要具有不同值的多個(gè)電源電壓的高度集成應(yīng)用特別有用。

圖 3 顯示了如何將基于分立元件的解決方案有效地遷移到 PMIC 解決方案（在本例中為 Qorvo IC），從而減少整體尺寸和元件數(shù)量。

事實(shí)上，現(xiàn)代 PMIC 可以執(zhí)行部分甚至所有應(yīng)用的電壓控制需求，這是其靈活性的一個(gè)主要因素。通過使用固件，這些自適應(yīng) PMIC 可以配置為在各種應(yīng)用中工作，而無需更改物理電路。這縮短了物品進(jìn)入市場(chǎng)所需的時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序之間的無縫切換。

圖 3：分立電源管理系統(tǒng)正在遷移到一個(gè)集成 PMIC 解決方案（：[1]）

由于 PMIC 的功率元件是集成的，從而導(dǎo)致更小的布局和更低的寄生電感，它們自然會(huì)降低噪聲。還可以優(yōu)化脈沖波形的上升和下降時(shí)間、開關(guān)頻率和占空比，以產(chǎn)生一定范圍的輸出電壓、降低 EMI 并提高效率。

由于效率與系統(tǒng)、其各個(gè)組件和產(chǎn)品尺寸的散熱直接相關(guān)，因此電源管理解決方案的設(shè)計(jì)人員必須限度地減少熱量，以避免熱失控和可能的系統(tǒng)或組件損壞。