電源管理

　　簡(jiǎn)介

　　電源管理技術(shù)也稱做電源控制技術(shù)，它屬于電力電子技術(shù)的范疇，是集電力變換，現(xiàn)代電子，網(wǎng)絡(luò)組建，自動(dòng)控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù)，現(xiàn)今已經(jīng)廣泛應(yīng)用到工業(yè)，能源，交通，信息，航空，國(guó)防，教育，文化等諸多領(lǐng)域。

　　隨著手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)和MP3等以電池供電的便攜式設(shè)備中彩屏、Java游戲、內(nèi)置CMOS鏡頭、GPS等功能的日益多樣化，電源管理已經(jīng)成為越來(lái)越重要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。目前在便攜產(chǎn)品中常用的電源管理芯片有低壓差穩(wěn)壓器（LDO）、基于電感器儲(chǔ)能的DC/DC轉(zhuǎn)換器（升壓、降壓、升壓/降壓）、基于電容器儲(chǔ)能的電荷泵、電池充電管理芯片和保護(hù)芯片等。

　　全球節(jié)能需求的不斷提高，數(shù)字技術(shù)的不斷進(jìn)步，分體式電源結(jié)構(gòu)的日益增加和電子設(shè)備必須遵守強(qiáng)制能效規(guī)范的要求，連同便攜式裝置的小型化，多功能的發(fā)展趨勢(shì)是電源管理技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。

　　設(shè)計(jì)

　　電源設(shè)計(jì)的技術(shù)

　　Q1：如何來(lái)評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)的電源需求

　　Answer：對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細(xì)考慮總的功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問(wèn)題等等。功耗和效率是密切相關(guān)的，效率高了，在負(fù)載功耗相同的情況下總功耗就少，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功率預(yù)算就非常有利了，對(duì)比LDO和開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源的效率要高一些。同時(shí)，評(píng)估效率不僅僅是看在滿負(fù)載的時(shí)候電源電路的效率，還要關(guān)注輕負(fù)載的時(shí)候效率水平。

　　至于負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)能力，對(duì)于一些高性能的CPU應(yīng)用就會(huì)有嚴(yán)格的要求，因?yàn)楫?dāng)CPU突然開(kāi)始運(yùn)行繁重的任務(wù)時(shí)，需要的啟動(dòng)電流是很大的，如果電源電路響應(yīng)速度不夠，造成瞬間電壓下降過(guò)多過(guò)低，造成CPU運(yùn)行出錯(cuò)。

　　一般來(lái)說(shuō)，要求的電源實(shí)際值多為標(biāo)稱值的+－5%，所以可以據(jù)此計(jì)算出允許的電源紋波，當(dāng)然要預(yù)留余量的。

　　散熱問(wèn)題對(duì)于那些大電流電源和LDO來(lái)說(shuō)比較重要，通過(guò)計(jì)算也是可以評(píng)估是否合適的。

　　Q2：如何選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路

　　Answer：根據(jù)分析系統(tǒng)需求得出的具體技術(shù)指標(biāo)，可以來(lái)選擇合適的電源實(shí)現(xiàn)電路了。一般對(duì)于弱電部分，包括了LDO（線性電源轉(zhuǎn)換器），開(kāi)關(guān)電源電容降壓轉(zhuǎn)換器和開(kāi)關(guān)電源電感電容轉(zhuǎn)換器。相比之下，LDO設(shè)計(jì)最易實(shí)現(xiàn)，輸出紋波小，但缺點(diǎn)是效率有可能不高，發(fā)熱量大，可提供的電流相較開(kāi)關(guān)電源不大等等。而開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)靈活，效率高，但紋波大，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，調(diào)試比較煩瑣等等。

　　Q3：如何為開(kāi)關(guān)電源電路選擇合適的元器件和參數(shù)

　　Answer：很多的未使用過(guò)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的工程師會(huì)對(duì)它產(chǎn)生一定的畏懼心理，比如擔(dān)心開(kāi)關(guān)電源的干擾問(wèn)題，PCB layout問(wèn)題，元器件的參數(shù)和類型選擇問(wèn)題等。其實(shí)只要了解了，使用一個(gè)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)還是非常方便的?！　∫粋€(gè)開(kāi)關(guān)電源一般包含有開(kāi)關(guān)電源控制器和輸出兩部分，有些控制器會(huì)將MOSFET集成到芯片中去，這樣使用就更簡(jiǎn)單了，也簡(jiǎn)化了PCB設(shè)計(jì)，但是設(shè)計(jì)的靈活性就減少了一些。

　　開(kāi)關(guān)控制器基本上就是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，所以一般都會(huì)有一個(gè)反饋輸出電壓的采樣電路以及反饋環(huán)的控制電路。因此這部分的設(shè)計(jì)在于保證精確的采樣電路，還有來(lái)控制反饋深度，因?yàn)槿绻答伃h(huán)響應(yīng)過(guò)慢的話，對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)能力是會(huì)有很多影響的。

　　而輸出部分設(shè)計(jì)包含了輸出電容，輸出電感以及MOSFET等等，這些的選擇基本上就是要滿足一個(gè)性能和成本的平衡，比如高的開(kāi)關(guān)頻率就可以使用小的電感值（意味著小的封裝和便宜的成本），但是高的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)增加干擾和對(duì)MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗，從而效率降低。使用低的開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的結(jié)果則是相反的。

　　對(duì)于輸出電容的ESR和MOSFET的Rds_on參數(shù)選擇也是非常關(guān)鍵的，小的ESR可以減小輸出紋波，但是電容成本會(huì)增加，好的電容會(huì)貴嘛。開(kāi)關(guān)電源控制器驅(qū)動(dòng)能力也要注意，過(guò)多的MOSFET是不能被良好驅(qū)動(dòng)的。

　　一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源控制器的供應(yīng)商會(huì)提供具體的計(jì)算公式和使用方案供工程師借鑒的。