电源管理芯片

识别CPU供电幅值的芯片

电源管理 芯片(Power Management Integrated Circuit),又称电源管理IC, 是在智能手机系统中担负对 电能 的变换、分配、检测及其他电能管理职责的芯片。同时,还可以对电池充电进行管理控制。 电源管理芯片主要功能为控制电量、电源流量及流向以配合主系统的需要。

电源管理芯片主要负责识别CPU供电幅值,产生相应的短矩波,推动后级电路进行功率输出。常用电源管理芯片的型号有HIP6301、HIP6502、ISL6537、RT9222、ADP3168、KA7500、RT9241等。

基本定义

电源管理 集成电路 (IC)是一种芯片,负责 电子设备 系统中 电能 的转换、配电、检测和其他电源管理。其主要负责将源电压和电流转换为可由微处理器、 传感器 等负载使用的电源。

1958年, 德州仪器 (TI)的工程师 杰克· 基尔比 发明了集成电路,这种被叫做芯片的电子部件,开启了处理信号和电力 电子 设备的新时代,基尔比也在2000年凭借该发明荣获 诺贝尔物理学奖 。

基本特点

主要电源管理芯片有的是双列直插芯片,而有的是表面贴装式封装,其中HIP630x系列芯片是比较经典的电源管理芯片,由著名芯片设计公司 Intersil 设计。它支持两/三/四相供电,支持 vrm 9.0规范,电压输出范围是1.1V-1.85V,能为0.025V的间隔调整输出,开关频率高达80KHz,具有电源大、纹波小、内阻小等特点,能精密调整CPU供电电压。

产品类别

电源管理 的范围相对较广,包括电源转换(DC-DC、AC-DC和 DC-AC )、电源分配和检测,以及结合了电源转换和电源管理的系统。相应地, 电源管理 芯片的分类也包括这些方面,例如线性电源芯片、电压基准芯片、 开关电源 芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片、 栅极 驱动器、负载开关、宽带隙开关等。

应用范围

电源管理芯片的应用范围十分广泛,发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义,对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关,而数字电源管理芯片的发展还需跨越成本难关。

当今世界,人们的生活已是片刻也离不开 电子 设备。电源管理芯片在 电子设备 系统中担负起对 电能 的变换、分配、检测及其它 电能 管理的职责。电源管理芯片对 电子 系统而言是不可或缺的,其性能的优劣对整机的性能有着直接的影响。

未来趋势

未来, 电源管理 芯片前景广阔。通过开发新的工艺、封装和电路设计技术,还会有性能更加出色的器件诞生,它们能提高电源功率密度、延长电池寿命、减少 电磁干扰 、增强电源和 信号完整性 以及提高系统的安全性,助力世界各地的工程师实现创新。

提高性能

所有电子设备都有电源,但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能,需要选择最适合的 电源管理 方式。

首先,电子设备的核心是 半导体芯片 。而为了提高电路的密度,芯片的特征尺寸始终朝着减小的趋势发展, 电场 强度随距离的减小而线性增加,如果电源电压还是原来的5V,产生的电场强度足以把芯片击穿。所以,这样, 电子 系统对电源电压的要求就发生了变化,也就是需要不同的降压型电源。为了在降压的同时保持高效率,一般会采用降压型 开关电源 。

同时,许多电子系统还需要高于供电电压的电源,比如在电池供电设备中,驱动液晶显示的背光电源,普通的白光LED驱动等,都需要对系统电源进行升压,这就需要用到升压型开关电源。

此外,现代电子系统正在向高速、高增益、高可靠性方向发展,电源上的微小干扰都对 电子设备 的性能有影响,这就需要在噪声、纹波等方面有优势的电源,需要对系统电源进行稳压、滤波等处理,这就需要用到线性电源。

上述不同的 电源管理 方式,可以通过相应的电源芯片,结合极少的外围元件,就能够实现。可见,发展电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段。

选择因素

电源管理的范畴比较广,既包括单独的 电能 变换(主要是直流到直流,即DC/DC),单独的电能分配和检测,也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的,电源管理芯片的分类也包括这些方面,比如线性电源芯片、电压基准芯片、 开关电源 芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。下面简要介绍一下电源管理芯片的主要类型和应用情况。

如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制,要求占用PCB板面积小(如手机等手持电子产品),电路电源不允许使用 电感器 (如手机),电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能,要求 稳压器 压降及自身功耗低,线路成本低且方案简单,那么线性电源是最恰当的选择。这种电源包括如下的技术:精密的电压基准,高性能、低噪音的 运算放大器 ,低压降 调整管 ,低静态电流。

在小功率供电、运放负电源、LCD/LED驱动等场合,常应用基于 电容 的 开关电源 芯片,也就是通常所说的 电荷泵 (Charge Pump)。基于电荷泵工作原理的芯片产品很多,比如AAT3113。这是一种由低噪声、恒定频率的电荷泵DC/DC 转换器 构成的白光LED驱动芯片。AAT3113采用分数倍(1.5×)转换以提高效率。该器件采用并联方式驱动4路LED。输入电压范围为2.7V~5.5V,可为每路输出提供约20mA的电流。该器件还具备热管理系统特性,以保护任何输出 引脚 所出现的 短路 。其嵌入的软启动电路可防止启动时的电流 过冲 。AAT3113利用简单串行控制接口对芯片进行使能、关断和32级 对数 刻度 亮度控制。

而基于 电感 的DC/DC芯片的应用范围最广泛,应用包括 掌上电脑 、相机、备用电池、便携式仪器、微型电话、电动机速度控制、显示偏置和颜色 调整器 等。主要的技术包括:BOOST结构电流模式环路稳定性分析,BUCK结构电压模式环路稳定性分析,BUCK结构电流模式环路稳定性分析,过流、过温、过压和软启动保护功能,同步整流 技术分析 , 参考电压 技术分析。

除了基本的电源变换芯片, 电源管理 芯片还包括以合理利用电源为目的的电源控制类芯片。如NiH电池智能快速充电芯片, 锂离子电池 充电、放电管理芯片,锂离子电池过压、过流、过温、 短路 保护芯片;在线路供电和备用电池之间进行切换管理的芯片,USB电源管理芯片; 电荷泵 ,多路LDO供电,加电时序控制,多种保护,电池充放电管理的复杂电源芯片等。

特别是在消费类 电子 方面。比如便携式DVD、手机、数码相机等,几乎用1块-2块电源管理芯片就能够提供复杂的多路电源,使系统的性能发挥到最佳。

优势

汽车传感器 所具备的功能越多、性能越高,其结构、技术、系统就越复杂,传统的模拟技术 电源管理 IC满足系统整体电源管理要求的难度也就越大,价格也更加昂贵。数字控制器的核心主要由三个特殊模块组成:抗 混叠 (anti-aliasing) 滤波器 、模数转换器(ADC)和数字脉冲宽度 调制器 (DPWM)。为了达到与模拟控制架构同等的性能指标,必须具备高 分辨率 、高速和线性ADC以及高分辨率、高速PWM电路设计。ADC分辨率必须能够满足误差小于输出电压允许变化的范围,所需的输出电压纹波越小,则对ADC的分辨率要求越高。同时,由于 抗混叠滤波器 以及 流水线 式或 SAR 模数转换器会引入 环路 延时,所以我们迫切需要高采样 速率 的模数转换器。模拟控制器对所产生的可能脉冲宽度存在固有的限制,而DPWM可以产生离散和有限的PWM宽度集。从稳定状态下的输出角度看,只可能有一组离散的输出电压。由于DPWM是反馈环路中的一部分,因此DPWM的 分辨率 必须足够高才能使输出不显示众所周知的极限周值。不显示任何极限周值所需的最少位数取决于拓扑、输出电压和ADC分辨率。同时,系统的环路稳定性由PI或者PID控制器来调整。

参考资料

  1. 电源管理芯片在小负载电流时效率不高 该怎么解决? 半导体器件应用网 2016-11-03