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  • 電源管理概念,分類,工作方式介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-05-26 19:20:39
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    電源管理概念,分類,工作方式介紹
    什么是電源管理
    電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件。電源管理對(duì)于依賴電池電源的移動(dòng)式設(shè)備至關(guān)重要(比如:手機(jī)、筆記本電腦)。
    一個(gè)優(yōu)秀的電源管理系統(tǒng)能夠通過降低組件閑置時(shí)的能耗將電池壽命延長2~3倍,電源管理技術(shù)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),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛涉及工業(yè),交通,信息通訊,航天航空,國防教育,文化等。
    電源管理
    電源管理的發(fā)展歷程
    上世紀(jì)40年代晶體管問世,不久后,作為電源管理技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)的晶閘管在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世,從而揭開了電源管理技術(shù)長足發(fā)展序幕。
    1979年發(fā)明了功率場效應(yīng)晶體管 (MOSFET),1986年高壓集成電路(HVTC)開始出現(xiàn),這就是最早的電源集成電路。
    上世紀(jì)80年代,確定了集成化是電力電子技術(shù)未來發(fā)展方向,電源集成電路逐步成為功率半導(dǎo)體器件中的主導(dǎo)器件,開啟了電源管理的新時(shí)代。自出現(xiàn)以來,電源管理技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛,已經(jīng)成為了涵蓋生產(chǎn)生活大小方面的關(guān)鍵部分。
    電源管理的分類
    從一定意義上來說,“功率半導(dǎo)體”也稱為“電源管理半導(dǎo)體”。也正是因?yàn)榇罅考呻娐愤M(jìn)入電源領(lǐng)域,大家普遍將電源技術(shù)統(tǒng)稱為“電源管理”。
    電源管理半導(dǎo)體從所包含的器件來說,明確強(qiáng)調(diào)電源管理集成電路(也稱電源管理IC)的位置和作用。電源管理半導(dǎo)體包括兩部分,即電源管理集成電路和電源管理分立式半導(dǎo)體器件。
    電源管理集成電路可以分成電壓調(diào)整器和接口電路兩類。電壓調(diào)整器包含線性低壓降穩(wěn)壓器(即LDO),以及正、負(fù)極輸出系列電路,此外有脈寬調(diào)制(PWM)型的開關(guān)型電路等。
    隨著技術(shù)的發(fā)展,集成電路芯片內(nèi)集成的數(shù)字電路的物理尺寸日漸縮小,工作電源也隨之向低電壓發(fā)展,一系列新型電壓調(diào)整器應(yīng)運(yùn)而生。
    電源管理用接口電路主要有接口驅(qū)動(dòng)器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器以及高電壓/大電流的顯示驅(qū)動(dòng)器等等。
    電源管理分立式半導(dǎo)體器件大致可以分成兩大類,一類包含整流器和晶閘管;另一類是三極管型,包含功率雙極性晶體管,含有MOS結(jié)構(gòu)的功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。
    電源管理IC分類
    電源管理半導(dǎo)體中的主導(dǎo)部分是電源管理IC,大致可歸納為下述8種。
    (1)AC/DC調(diào)制IC。內(nèi)含低電壓控制電路及高壓開關(guān)晶體管。
    (2)DC/DC調(diào)制IC。包括升壓/降壓調(diào)節(jié)器,以及電荷泵。
    (3)功率因數(shù)控制PFC預(yù)調(diào)制 IC。提供具有功率因數(shù)校正功能的電源輸入電路。
    (4)脈沖調(diào)制或脈幅調(diào)制PWM/ PFM控制IC。為脈沖頻率調(diào)制和/或脈沖寬度調(diào)制控制器,用于驅(qū)動(dòng)外部開關(guān)。
    (5)線性調(diào)制IC(如線性低壓降穩(wěn)壓器LDO等)。包括正向和負(fù)向調(diào)節(jié)器,以及低壓降LDO調(diào)制管。
    (6)電池充電和管理IC。包括電池充電、保護(hù)及電量顯示IC,以及可進(jìn)行電池?cái)?shù)據(jù)通訊“智能”電池 IC。
    (7)熱插板控制IC(免除從工作系統(tǒng)中插入或拔除另一接口的影響)。
    (8)MOSFET或IGBT的驅(qū)動(dòng) IC。
    以上電源管理IC中,電壓調(diào)節(jié)IC是發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一類。各種電源管理IC基本上和一些相關(guān)的應(yīng)用相聯(lián)系,根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域,還可以延伸出更多類型的器件。
    電源管理IC應(yīng)用領(lǐng)域
    電源管理IC應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品(手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器、移動(dòng)硬盤等)、數(shù)字消費(fèi)類電子產(chǎn)品(高清晰度電視機(jī)、LCD電視機(jī)和面板、DVD播放機(jī))、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和汽車電子。其中消費(fèi)類電子產(chǎn)品是電源管理芯片的最大應(yīng)用領(lǐng)域。
    不管什么應(yīng)用或產(chǎn)品都必須采用相應(yīng)的電源管理技術(shù)才能充分發(fā)揮它們的功能。
    電源管理IC如何工作
    以移動(dòng)通信終端為例,進(jìn)一步說明電源管理IC是如何工作的。
    移動(dòng)通信終端普遍采用的都是鋰離子電池,所以電池管理的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)鋰離子電池的特性展開的。
    放電工作原理
    我們都知道,電池過放會(huì)給電池帶來災(zāi)難性的后果,特別是大電流過放或反復(fù)過放,對(duì)電池的影響更大。鋰離子電源管理電路的功能之一就是為了保護(hù)鋰電池不至于過放。
    蓄電池放電時(shí),貯存的電能逐步釋放,電壓緩慢下降,當(dāng)電壓降低到某一規(guī)定值時(shí)應(yīng)停止放電,重新充電以恢復(fù)電池的貯能狀態(tài),低于此規(guī)定值繼續(xù)放電,即為過度放電。過放電會(huì)破壞電極活性物質(zhì),導(dǎo)致電池壽命縮短。
    電源管理
    充電工作原理
    鋰電池在充電時(shí),充電管理電路是一個(gè)極其復(fù)雜的過程,既要保證鋰電池能夠充滿,又要保證鋰電池的性能,最重要的是要保證鋰電池不能過充。
    過充電主要是指電池在充電時(shí),在達(dá)到充滿狀態(tài)后,還繼續(xù)充電。這樣的做法可能導(dǎo)致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏液等情況發(fā)生,電池的性能也會(huì)顯著降低和損壞。
    “整個(gè)充電電路應(yīng)該具有以下幾種充電模式:
    低電壓預(yù)充電模式;
    全速充電模式;
    涓流充電模式;
    頂端截止、脈沖充電模式;
    充電截止模式。”
    不管是什么領(lǐng)域,技術(shù)的更迭換代是必然的,隨著系統(tǒng)處理能力的增加、網(wǎng)絡(luò)帶寬的拓展,對(duì)電源器件和電源管理提出更多、更高的要求,越來越多的電子設(shè)備會(huì)內(nèi)置數(shù)字信號(hào)處理器,SoC及其他數(shù)字電路,相應(yīng)地,低輸出電壓、高電流的電源管理電路將會(huì)繼續(xù)有強(qiáng)勁的市場需求。
    電源管理IC也必須采用更先進(jìn)的技術(shù),以實(shí)現(xiàn)多輸出和高集成度。而Type-C接口標(biāo)準(zhǔn)的大一統(tǒng)趨勢(shì),USB接口的高效率充電也已經(jīng)成為相關(guān)芯片直面的問題。
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