h1_key

  本文学习电源管理的基础知识，包括不同应用所需的电路设计类型。了解到什么是电源管理集成电路(PMIC)，以及当今的多功能 PMIC 为何能够替代各种类型的稳压器。

  掌握电源基础知识

  某个设备或电子系统所需要的 DC 电源管理子系统的类型取决于该设备或系统的电源。可能的电源包括 AC、电池、DC 以及超低功耗 DC(能量采集)。绝大多数由电池供电的电子产品使用锂离子(Li-ion)或锂聚合物(LiPo)电池。一个电池组可能包含几块电池，通过串联或者并联方式连接起来。图 1-1 是一些示例。

  以下是每种连接配置下的电压和电流性能：

  串联电池可提高电池组电压，同时提高整个电池组容量。

  并联电池不能提高电池组电压，但会提高整个电池组的电流控制能力和电流容量。

  串并联电池可同时提高电压、电流控制能力、电流容量。

  在一些由电池供电的应用中，系统组件可能无法直接使用电池电力。这些组件可能需要一个更低或者更高的电压才能正常运行。在充放电过程中，电池的电压也会发生变化。DC-DC 转换器可用来监控这种未调节的电池输入电压并使其保持稳定。这些转换器通常被称为稳压器，因为它们可以根据需要提高、降低或者调节电压(如图 1-2 所示)，然后把调整后的电压提供给系统子组件使用。

  DC-DC 稳压器包括隔离型和非隔离型，取决于输入接地是否与输出接地相连：

  ●隔离转换器用于对输入和输出电压进行隔离，一般采用变压器或电容式电力传输。

  ●非隔离转换器有一条连接输入接地和输出接地的 DC 通路，并共享输入和输出接地连接。

DC-DC 稳压器分类

根据所用的电压转换方式，DC 稳压器共分两类：线性稳压器和开关式稳压器。这是两种基本稳压器类型，用于相机、手机、可穿戴设备以及计算机等电子设备。设计工程师将基于输入电压、输出电压以及所需的电流负荷，为其系统设计选择适当的 DC 稳压器。

  线性稳压器

  线性稳压器可把输入电压(VIN)转换为不同的输出电压(VOUT)，使用一个线性组件(即电阻型组件)来调节输出电压 VOUT。线性稳压器的一般特性：

  ●耗散电能。

  ●用于低电流和低电源轨。

  ●效能不高。

  ●用于低噪音电源。

  ●低波纹和低噪音特性使其适合灵敏的模拟集成电路，如传感器、锁相环路等。

●对于线性稳压器，一种重要的类型是低压差(LDO)线性稳压器。在 VIN和 VOUT 相差很小时，LDO。能持续输出稳定的 VOUT。

  开关式稳压器

开关式稳压器通过一个开关元件转换 VIN 到不同的 VOUT，并使用外部电感和电容来稳定输出电压 VOUT。开关式稳压器通常效率更高，支持比线性稳压器更高的输出电流。但输出被调节后仍有波纹或开关噪声，即使经滤波后仍然存在。

  按照输入与输出电压间的关系，开关式稳压器分类如下：

  ●降压型开关式稳压器：VOUT 低于 VIN

  ●升压型开关式稳压器：VOUT 高于 VIN

  ●降压-升压型开关式稳压器：VOUT 可变，可低于、高于或等于VIN

以上是设计工程师常用的四种稳压器拓扑⸺LDO 以及三种开关式稳压器(降压型、升压型、降压 - 升压型)。在下面几节，我们将详细介绍这四种稳压器。

  LDO 稳压器

  低压差线性稳压器是一种 DC 线性稳压器，可以在供电电压和输出电压非常接近时调节输出电压水平。对于 LDO，跌落电压应尽可能最小，这样可以尽量减少电量耗散，最大限度地提高系统效率(如图 1-3 所示)。

  与开关式稳压器相比，LDO 通常具有更高的电源供应抑制比(PSRR)，意味着 LDO 可以生成低噪声输出电压。LDO 一般不产生任何波纹，在降低输入电源噪声或波纹方面非常有用。LDO 待机电流消耗低，这使得它成为便携式和无线应用的绝佳解决方案。

  降压型转换器

  这里 Buck 的意思是“降低”或“减弱”。降压转换器是一个减弱型转换稳压器，可以高效输出低于 VIN 的 VOUT。降压型电路包含电感、开关场效应晶体管(FET)或二极管、电容以及具有开关控制电路的误差放大器(如图 1-4 所示)。降压转换器会改变金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的开启时间，然后把电能应用到感应器上。降压转换器有很高的效率，因为 MOSFET 或者完全开启，或者完全关闭。在开和关(阻抗)两种状态之间，降压转换器不工作，这一点与线性稳压器不同。

  降压转换器会产生切换波形，波形为脉宽调制(PWM)模式或脉冲频率调制(PFM)模式，然后使用外部电感和电容滤波组件进行滤波，最后生成平滑的输出电压 VOUT。这种电压转换方式效率很高，可延长电池寿命、降低系统发热、减小产品尺寸。

  降压型转换器用在很多通过 USB 取电的应用以及其他计算机外设中。同时也用在智能手机、平板电脑、移动设备以及其他很多电子设备中。

  升压型转换器

  Boost 在这里的意思是“增强”。升压转换器把 VIN 升高，产生 VOUT。例如，当您想把 3.3 伏 DC 输入电压转换为 5.0 伏的输出电压时 VOUT 时，升压转换器会很方便。这种升压操作常见于很多锂离子或锂聚合物电池应用。

  升压电路与降压电路包含同样的组件(感应器、开关场效应晶体管 [FET]或二极管、电容器、带开关控制电路的误差放大器)，但是具有不同的连接方式。升压电路同样通过控制 MOSFET 的开启时间把电能应用到感应器来工作。(如图 1-5 所示)。

  降压 - 升压型转换器

  降压 - 升压型转换器是一个开关模式转换器，在单一稳压器中结合了降压和升压两种方式。它可以处理大范围的输入和输出电压。控制电路调节MOSFET 的开关时间，降低或提高输入电压，根据需要产生 VOUT(如图1-6 所示)。

  除图 1-6 所示的标准降压 - 升压型之外，还存在其他类型的降压 - 升压转换器，比如 Sepic 型、Cuk 型以及 Zeta 型。这些转换器都可以调节VOUT，使之低于、高于或等于 VIN。