電源IC是什么?電源IC基礎(chǔ)知識
- 發(fā)布時間:2022-10-19 10:38:23
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電源IC是什么?
電源ic是指開關(guān)電源的脈寬控制集成,電源靠它來調(diào)整輸出電壓電流的穩(wěn)定。
電源IC分類
隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 尤其是目前便攜式產(chǎn)品流行和節(jié)能環(huán)保的提倡, 電源IC發(fā)揮的作用越來越大。幾年前, 電源IC還僅僅是集成穩(wěn)壓器件和DC/DC轉(zhuǎn)換器, 但現(xiàn)在電源IC涵蓋很多內(nèi)容,包括DC/DC、LDO(低壓差線形穩(wěn)壓器)、電池充放電管理、PWM控制器、Reset、PFC(功率因數(shù)校正)、節(jié)能控制、功率MOSFET等等。
電源IC分類 |
工作原理 |
作用 |
特點 |
設(shè)計難度 |
LDO |
穩(wěn)壓 |
最基本的電源IC |
低輸入/輸出電壓,低消耗功率 |
簡單 |
DC/DC |
電壓變換 |
常用電源IC |
簡單 |
|
PWM |
脈寬調(diào)制 |
用于手持和高級處理器產(chǎn)品 |
提供電壓變換所需大電流 |
復(fù)雜 |
電池管理 |
模擬技術(shù)為主,與數(shù)字技術(shù)結(jié)合 |
用于新型電池充放電,電量檢測,保護(hù)等 |
多功能整合 |
適中 |
功率MOSFET |
功率場效應(yīng)管 |
用于大功率輸出 |
輸出大電流,低導(dǎo)通內(nèi)阻 |
設(shè)計簡單,制程復(fù)雜 |
電源IC現(xiàn)在的發(fā)展趨勢已經(jīng)不局限于單一功能,而是將各種功能整合在一起,所以電源IC目前更多的被稱為電源管理IC,或電源管理單元(PMU)。
電源IC重要性
目前我們最常提到的是電子產(chǎn)品的數(shù)字化, 比如一臺電腦主板, 最主要的是CPU, 其次是邏輯存儲器, 這些都是數(shù)字化器件, 但對自然環(huán)境的檢視,如對聲音信號、對影像信號的拾取, 就要依靠模擬器件。將信號輸出給人類感知, 同樣離不開模擬技術(shù),比如將聲音放大輸出, 圖像顯示等。就是目前最先進(jìn)的LCD顯示, 雖然是用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn), 但為了達(dá)到更佳顯示效果改用LED背光, 對LED背光的控制實際又回到模擬方式。另外對交流電源的轉(zhuǎn)換利用,對電池的電壓變換和充放電也是模擬技術(shù)應(yīng)用的重要方面。目前IC制造已經(jīng)進(jìn)入65納米時代, 邏輯IC普遍落后一個世代, 不同數(shù)字器件有不同的制程, 所以需要不同的供電電壓, 因此更需要電源管理這一模擬技術(shù)。所以說隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展, 模擬技術(shù)分布于數(shù)字技術(shù)周邊, 與數(shù)字技術(shù)密不可分。數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)比較如下.
比較項目 |
模擬IC |
數(shù)字IC |
信號傳輸 |
光,聲音,速度,溫度等自然現(xiàn)象連續(xù)信號 |
1或0非連續(xù)信號 |
技術(shù)層次 |
設(shè)計門檻高,學(xué)習(xí)曲線10-15年 |
電腦輔助設(shè)計,學(xué)習(xí)曲線3-5年 |
產(chǎn)品認(rèn)證與生命周期 |
認(rèn)證期長(約1年以上),但生命周期也長 |
認(rèn)證周期短(約3-個月),但生命周期也短 |
替代性 |
低 |
高(可用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品替代) |
產(chǎn)品特點 |
少量多樣 |
量多樣少 |
產(chǎn)品應(yīng)用 |
電源管理,音視頻放大,信號轉(zhuǎn)換與監(jiān)控 |
邏輯運算處理與控制,數(shù)字信號編碼與解碼 |
ASP(平均零售價格) |
低但穩(wěn)定 |
因時效性而變化 |
在整個模擬IC中, 電源管理IC又扮演著非常重要的角色。除了省電、低耗電的可攜式產(chǎn)品日趨普及, 新興替代能源, 如太陽能、生物能源等節(jié)能環(huán)保等, 包括面板驅(qū)動IC、LDO、白光背光源LED驅(qū)動IC、充電裝置CMOS Sensor或是等已成為模擬IC業(yè)者開始投入的領(lǐng)域, 如何通過更低耗電的設(shè)計以減少電力的消耗, 及更輕薄短小和更低價錢已成為廠商努力的方向。電源IC可以說是單價不高, 但責(zé)任重大。
2007年全球IC產(chǎn)值約在2200億美元, 模擬約占400億美元, 其中電源IC占模擬IC的19%。2008年全球IC的增長率約為8%, 模擬IC的增長率約為13.5%, 高于IC平均增長率, 而電源IC增長率達(dá)到20%, 又高于模擬IC增長率, 可見電源管理IC的最佳配角的重要性。
電源IC選擇指南
選擇電源IC不僅僅要考慮滿足電路性能的要求及可靠性,還要考慮它的體積、重量、延長電池壽命及成本等問題。這里給出一些選擇基本原則,供參考。
1、優(yōu)先考慮升壓式DC/DC變換器
采用升壓式DC/DC變換器不僅效率高并且可減少電池數(shù)(減小整個電源體積及重量)。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升壓式DC/DC變換器IC,其靜態(tài)電流僅16μA,在輸出200mA時效率可達(dá)94%,在關(guān)閉電源時耗電僅0.1μA,并可選擇電流限制來降低紋波電壓。
2、采用LDO的最佳條件
當(dāng)要求輸出電壓中紋波、噪聲特別小的場合,輸入輸出電壓差不大,輸出電流不大于100mA時采用微功耗、低壓差(LDO)線性穩(wěn)壓器是最合適的。例如,采用3節(jié)鎳鎘、鎳氫電池或采用1節(jié)鋰離子電池,輸出3.0~3.3V電壓,工作電流小于100mA時,電池壽命較長,并且有較高的效率。例如采用超微功耗線性穩(wěn)壓器BAW03A~06A,其靜態(tài)電流僅1.1μA,輸出電壓有1.2、1.3、1.4、1.5、1.7、1.8、2、2.1、2.3、2.5、2.7、.28、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、4.0、4.2、4.3、4.5、5.0、5.8、6.0V,可供用戶選擇,輸出電流30mA~50mA。MAX8867/8868輸出噪聲為30μVrms。而另一種低功耗、低壓差LDO器件GMT7250,其靜態(tài)電流180μA,輸出100mA時壓差小于85mV。該器件溫度穩(wěn)定性好,典型值為31ppm/℃,并且有電源工作狀態(tài)信號輸出及關(guān)閉電源控制。該器件有固定電壓輸出:3.3V、4.85V、5.0V三種,并且可外接兩電阻來設(shè)定輸出電壓,輸出電壓范圍為1.2~9.75V,輸出電流可達(dá)250mA,適合大多數(shù)便攜式產(chǎn)品應(yīng)用。
3、需負(fù)電源時盡量采用電荷泵
便攜式儀器中往往需要負(fù)電源,由于所需電流不大,采用電荷泵IC組成電壓反轉(zhuǎn)電路最為簡單,若要求噪聲小或要求輸出穩(wěn)壓時,可采用帶LDO線性穩(wěn)壓器的電荷泵IC。例如,MAX1680/1681,輸出電流可達(dá)125mA,采用1MHz開關(guān)頻率,僅需外接兩個1μF小電容,輸出阻抗3.5Ω,有關(guān)閉電源控制(關(guān)閉時耗電僅1μA),并可組成倍壓電路。另一種帶穩(wěn)壓輸出的電荷泵IC MAX868,它輸出可調(diào)(0~-2×VIN),外接兩個0.1μF電容,消耗35μA電源電流,可輸出30mA穩(wěn)壓的電流,有關(guān)閉電源控制功能(關(guān)閉時耗電僅0.1μA),小尺寸μMAX封裝。
4、不要追求高精度、功能全的最新器件
電源IC的精度一般為±2%~±4%,精度高的可達(dá)±0.5%~±1%,要根據(jù)電路的要求選擇合適的精度,這樣可降低生產(chǎn)成本。功能較全的器件價格較高,所以無需關(guān)閉電源功能的或產(chǎn)品中無微處理器(μP)或微控制器(μC)的則無需選擇帶關(guān)閉電源功能或輸出電源工作狀態(tài)信號的器件,這樣不僅可降低成本,并且尺寸更小。
5、不要“大馬拉小車”
電源IC最主要的三個參數(shù)是,輸入電壓VIN、輸出電壓Vo及最大輸出電流Iomax。根據(jù)產(chǎn)品的工作電流來選擇:較合適的是工作電流最大值為電源IC最大輸出電流Iomax的70~90%。例如最大輸出電流Iomax為1A的升壓式DC/DC變換器IC可用于工作電流700~900mA的場合,而工作于20~30mA時,其效率則較低。如果產(chǎn)品有輕負(fù)載或重負(fù)載時,最好選擇PFM/PWM自動轉(zhuǎn)換升壓式DC/DC變換器,這不僅在輕負(fù)載時采用PFM方式耗電較小,正常負(fù)載時為PWM方式,而且效率也高。這種電源IC有TC120、MAX1205/1706等。
6、輸出電流大時應(yīng)采用降壓式DC/DC變換器
便攜式電子產(chǎn)品大部分工作電流在300mA以下,并且大部分采用5#鎳鎘、鎳氫電池,若采用1~2節(jié)電池,升壓到3.3V或5V并要求輸出500mA以上電流時,電池壽命不長或兩次充電間隔時間太短,使用不便。這時采用降壓式DC/DC變換器,其效率與升壓式差不多,但電池的壽命或充電間隔時間要長得多。
注意事項:
DC/DC變換器中L、C、D的選擇
電感L、輸出電容C及續(xù)流二極管或隔離二極管D的選擇十分重要。電感L要滿足在開關(guān)電流峰值時不飽和(開關(guān)峰值電流要大于輸出電流3~4倍),并且要選擇合適的磁芯以滿足開關(guān)頻率的要求及選擇直流電阻小的以減少損耗。電容應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻小的電解電容(LOW ESR),這可降低輸出紋波電壓,采用三洋公司的有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容(一般為幾十~幾百毫歐)有較好效果。二極管必須采用肖特基二極管,并且要以滿足大于峰值電流為要求。
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從PCB制造工藝參數(shù)到Altium Designer(AD)規(guī)則設(shè)置的過程,是確保PCB設(shè)計滿足生產(chǎn)工藝要求的關(guān)鍵步驟。
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