典型案例中電源管理解決方案應(yīng)用探討

電源管理遍及很多市場和工業(yè)領(lǐng)域。電源管理集成電路(PMIC)已應(yīng)用到多種類型的產(chǎn)品中，執(zhí)行一系列不同的功能，其中包括智能電機(jī)控制、電源保護(hù)電路以及直流到直流轉(zhuǎn)換器 / 穩(wěn)壓器應(yīng)用等等。

電源管理集成電路(PMIC)體積小、效率高、功耗低，可用于許多小型設(shè)備，如可穿戴設(shè)備、耳塞等可聽戴設(shè)備、移動設(shè)備、傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等等。這些體積小性能高的電源管理集成電路(PMIC)可最大限度地提高系統(tǒng)效率和性能，同時提高設(shè)計(jì)靈活性、降低物料成本。

如今的電源管理集成電路非常靈活。在許多不同的應(yīng)用中，只需更改寄存器設(shè)置或固件，它們即可運(yùn)行。這提高了它們的通用性，縮短了制造商的產(chǎn)品上市時間。

在本章中，我們來看看這些正在不斷發(fā)展的市場，并就電源管理解決方案在一些典型案例中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

汽車應(yīng)用

隨著創(chuàng)新型新電子設(shè)備在車輛中的應(yīng)用，汽車電源管理半導(dǎo)體市場正呈指數(shù)級增長。這些設(shè)備正從根本上改變汽車和其他車輛的方方面面，包括駕駛體驗(yàn)。無限暢聯(lián)、遠(yuǎn)程信息處理、電機(jī)控制以及安全功能等應(yīng)用正在不斷增長，它們都需要利用電源管理來實(shí)現(xiàn)高效可靠的運(yùn)行。

混合動力汽車和純電動汽車的日益普及進(jìn)一步推動了功率半導(dǎo)體市場的發(fā)展。在混合動力和純電動汽車中，有許多不同的電源電壓，它們的輸出電壓、輸出電流、效率水平和熱額定值各不相同。

圖 3-1 中顯示的用于電動或混合動力汽車的許多應(yīng)用需要不同程度的電壓調(diào)節(jié)。這些應(yīng)用中的大多數(shù)負(fù)載都利用 12 伏或 24 伏電源電壓，但有些牽引電機(jī)應(yīng)用需要更高的電壓。所有這些應(yīng)用都需要有效的降壓、升壓或降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，以便在整個車輛中都能獲得很多不同的穩(wěn)定電壓。

圖 3-1：電源管理集成電路(PMIC)的汽車電源管理應(yīng)用

可穿戴設(shè)備應(yīng)用

當(dāng)今的可穿戴設(shè)備需要高度集成的高級電源管理。它們必須利用小型低電壓電池提供較長的電池續(xù)航時間。只有有效管理系統(tǒng)負(fù)載 , 才能延長設(shè)備的續(xù)航時間。高效率和低待機(jī)電流至關(guān)重要。電源管理子系統(tǒng)還必須處理電池充電，包括某些設(shè)備的無線充電。

單個可配置的電源管理集成電路可用于同一設(shè)備中的多個應(yīng)用，如圖 3-2 所示。許多可穿戴設(shè)備具有嵌入式處理器、顯示屏、觸摸屏、傳感器、聲音或觸覺反饋、健康監(jiān)測器、GPS 系統(tǒng)、麥克風(fēng)、藍(lán)牙、Wi-Fi 以及用于傳送和接收數(shù)據(jù)的蜂窩無線功能。所有這些功能都會大量消耗小型電池的電量。

圖 3-2：可穿戴設(shè)備電源管理集成電路

為延長電池壽命，電源管理集成電路(PMIC)對所有電壓功能進(jìn)行管理。例如，當(dāng)某個應(yīng)用程序未被使用時，PMIC 可啟動休眠模式，并對必須保持開啟的組件進(jìn)行管理，以便為其他應(yīng)用程序提供支持。PMIC 在管理設(shè)備低功耗狀態(tài)、開啟狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)和待機(jī)模式中起著不可或缺的作用。

大多數(shù)可穿戴設(shè)備都有嚴(yán)格的尺寸限制。為最大限度地減小電源管理集成電路的尺寸，高密度的設(shè)備引腳布置和先進(jìn)的封裝技術(shù)至關(guān)重要。此外，將高工作頻率用于開關(guān)式穩(wěn)壓器可減少開關(guān)式穩(wěn)壓器所需要的外部濾波。使用電源管理集成電路(PMIC)可最大限度地減少外部組件的數(shù)量，并將進(jìn)一步縮減電路的尺寸。

企業(yè)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用

企業(yè)和消費(fèi)類設(shè)備收集、存儲、處理和傳輸不斷增長的大量數(shù)據(jù)。所有這些活動都會消耗電量，有效的電源管理令其受益頗多。

服務(wù)器設(shè)備、云存儲、基于網(wǎng)絡(luò)的存儲和臺式計(jì)算機(jī)構(gòu)成計(jì)算機(jī)和存儲設(shè)備市場的主體。該市場有特定需求，其中包括 :

用于大功率處理器的高達(dá)數(shù)十安培的大電流穩(wěn)壓器

用于支持高輸出電流并提高系統(tǒng)效率的多相穩(wěn)壓器

用于提高效率的小型電感器

改善有大電流負(fù)載需求和電壓尖刺干擾的瞬間動態(tài)響應(yīng)

高開關(guān)頻率

高壓應(yīng)用，如 12 伏、24 伏或 48 伏輸入電源

快速動態(tài)響應(yīng)、嚴(yán)格準(zhǔn)確的輸出電壓調(diào)節(jié)、高輸出功率和電流以及高效率是企業(yè)和計(jì)算機(jī)市場對產(chǎn)品的關(guān)鍵性要求。

便攜式設(shè)備應(yīng)用

便攜式產(chǎn)品(如筆記本電腦、平板電腦和便攜式揚(yáng)聲器)對電源管理的要求非常復(fù)雜。全部使用比線性穩(wěn)壓器更高效、體積更小的開關(guān)式穩(wěn)壓器。

此外，這些應(yīng)用需要為電池充電，同時還需要系統(tǒng)電源，也就是說，它們必須具有獨(dú)立的電源路徑來為系統(tǒng)供電、為電池充電。為此，電源管理模塊由一個開關(guān)充電器和一個電池開關(guān)組成。開關(guān)充電器為整個系統(tǒng)供電，同時還可獨(dú)立管理電池充電；電池開關(guān)則對充電進(jìn)行管理。電源管理集成電路可管理所有這些功能。

斷電保護(hù)

計(jì)算機(jī)和存儲市場上的許多產(chǎn)品都具有內(nèi)置斷電保護(hù)功能。這些設(shè)備在輸入電源出現(xiàn)故障時提供備用存儲電源。

如果沒有斷電保護(hù)，斷電可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或損壞。例如，寫入操作可能在數(shù)據(jù)安全存儲之前中斷。

電源管理集成電路(PMIC)斷電保護(hù)(PLP)裝置可儲存電量，然后在輸入電源斷開時將這些電量提供給輸出端。集成降壓轉(zhuǎn)換器將存儲電壓調(diào)節(jié)為固定輸出，這樣系統(tǒng)便可繼續(xù)正常運(yùn)行。電容在正常運(yùn)行期間儲存電能，發(fā)生斷電時將電能傳遞到系統(tǒng)。這種電能儲存過程稱為補(bǔ)充模式，因?yàn)閿嚯姳Ｗo(hù)裝置為系統(tǒng)補(bǔ)充電量，使系統(tǒng)有時間備份關(guān)鍵數(shù)據(jù)并以受控方式關(guān)閉，如圖 3-3 所示。這種關(guān)閉方式可降低操作未完成、數(shù)據(jù)丟失和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

嵌入在固態(tài)硬盤(SSD)中的斷電保護(hù)技術(shù)大大降低了發(fā)生斷電時數(shù)據(jù)丟失的可能性。斷電保護(hù)技術(shù)一直在為意外斷電做準(zhǔn)備，從而能夠避免數(shù)據(jù)受到破壞和損毀。內(nèi)置斷電保護(hù)技術(shù)的固態(tài)硬盤含有儲能電容器。存儲電容器充當(dāng)驅(qū)動器的備用電源，提供足夠的電能，確保在電量耗盡之前將臨時緩沖區(qū)中的所有數(shù)據(jù)保存到固態(tài)硬盤中。

圖 3-3：內(nèi)嵌斷電保護(hù)技術(shù)的電路。

集成升壓電路將存儲電容器充電至高壓，以便最大限度地減小存儲電容器的尺寸。電壓越高，存儲的電能越高(因?yàn)榇鎯Φ碾娔苡晒?E = 0.5CV2 確定，其中 C 為電容，V 為電壓)。集成降壓轉(zhuǎn)換器將存儲電壓重新調(diào)節(jié)成系統(tǒng)可使用并能正常運(yùn)行的電壓值。

典型的斷電保護(hù) PMIC 具有一個健康狀態(tài)自動監(jiān)測集成電路，該電路會經(jīng)常檢查存儲電容器的狀況，確保安全運(yùn)行。它還能提供相關(guān)信息，使主機(jī)能夠估算電容器的剩余壽命。有些斷電保護(hù) PMIC 還配備了多通道 A/D 轉(zhuǎn)化器(ADC)，幫助監(jiān)測輸入電源、存儲電容器電壓以及核心溫度等電源系統(tǒng)參數(shù)。

除了在固態(tài)硬盤(SSD)中使用外，這些斷電保護(hù) PMIC 還用于備用電源、計(jì)算機(jī)、熱插拔設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)存儲以及其他應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，探測出設(shè)備即將斷電并在完全斷電之前將數(shù)據(jù)寫入永久存儲，這一點(diǎn)至關(guān)重要。

原文標(biāo)題：科普丨電源管理應(yīng)用案例

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