主要電源管理芯片有的是雙列直插芯片,而有的是表面貼裝式封裝,其中HIP630x系列芯片是比較經典的電源管理芯片,由著名芯片設計公司Intersil設計。它支持兩/三/四相供電,支持VRM9.0規范,電壓輸出范圍是1.1V-1.85V,能為0.025V的間隔調整輸出,開關頻率高達80KHz,具有電源大、紋波小、內阻小等特點,能精密調整CPU供電電壓。

電源管理集成電路(IC)是一種芯片,負責電子設備系統中電能的轉換、配電、檢測和其他電源管理。其主要負責將源電壓和電流轉換為可由微處理器、傳感器等負載使用的電源。

1958年,德州儀器(TI)的工程師杰克·基爾比發明了集成電路,這種被叫做芯片的電子部件,開啟了處理信號和電力電子設備的新時代,基爾比也在2000年憑借該發明榮獲諾貝爾物理學獎。

電源管理的范圍相對較廣,包括電源轉換(DC-DC、AC-DC和DC-AC)、電源分配和檢測,以及結合了電源轉換和電源管理的系統。相應地,電源管理芯片的分類也包括這些方面,例如線性電源芯片、電壓基準芯片、開關電源芯片、LCD驅動芯片、LED驅動芯片、電壓檢測芯片、電池充電管理芯片、柵極驅動器、負載開關、寬帶隙開關等。

電源管理芯片的應用范圍十分廣泛,發展電源管理芯片對于提高整機性能具有重要意義,對電源管理芯片的選擇與系統的需求直接相關,而數字電源管理芯片的發展還需跨越成本難關。

當今世界,人們的生活已是片刻也離不開電子設備。電源管理芯片在電子設備系統中擔負起對電能的變換、分配、檢測及其它電能管理的職責。電源管理芯片對電子系統而言是不可或缺的,其性能的優劣對整機的性能有著直接的影響。

所有電子設備都有電源,但是不同的系統對電源的要求不同。為了發揮電子系統的最佳性能,需要選擇最適合的電源管理方式。

首先,電子設備的核心是半導體芯片。而為了提高電路的密度,芯片的特征尺寸始終朝著減小的趨勢發展,電場強度隨距離的減小而線性增加,如果電源電壓還是原來的5V,產生的電場強度足以把芯片擊穿。所以,這樣,電子系統對電源電壓的要求就發生了變化,也就是需要不同的降壓型電源。為了在降壓的同時保持高效率,一般會采用降壓型開關電源。

同時,許多電子系統還需要高于供電電壓的電源,比如在電池供電設備中,驅動液晶顯示的背光電源,普通的白光LED驅動等,都需要對系統電源進行升壓,這就需要用到升壓型開關電源。

此外,現代電子系統正在向高速、高增益、高可靠性方向發展,電源上的微小干擾都對電子設備的性能有影響,這就需要在噪聲、紋波等方面有優勢的電源,需要對系統電源進行穩壓、濾波等處理,這就需要用到線性電源。

上述不同的電源管理方式,可以通過相應的電源芯片,結合極少的外圍元件,就能夠實現。可見,發展電源管理芯片是提高整機性能的必不可少的手段。

電源管理的范疇比較廣,既包括單獨的電能變換(主要是直流到直流,即DC/DC),單獨的電能分配和檢測,也包括電能變換和電能管理相結合的系統。相應的,電源管理芯片的分類也包括這些方面,比如線性電源芯片、電壓基準芯片、開關電源芯片、LCD驅動芯片、LED驅動芯片、電壓檢測芯片、電池充電管理芯片等。下面簡要介紹一下電源管理芯片的主要類型和應用情況。

如果所設計的電路要求電源有高的噪音和紋波抑制,要求占用PCB板面積小(如手機等手持電子產品),電路電源不允許使用電感器(如手機),電源需要具有瞬時校準和輸出狀態自檢功能,要求穩壓器壓降及自身功耗低,線路成本低且方案簡單,那么線性電源是最恰當的選擇。這種電源包括如下的技術:精密的電壓基準,高性能、低噪音的運放,低壓降調整管,低靜態電流。

在小功率供電、運放負電源、LCD/LED驅動等場合,常應用基于電容的開關電源芯片,也就是通常所說的電荷泵(Charge Pump)。基于電荷泵工作原理的芯片產品很多,比如AAT3113。這是一種由低噪聲、恒定頻率的電荷泵DC/DC轉換器構成的白光LED驅動芯片。AAT3113采用分數倍(1.5×)轉換以提高效率。該器件采用并聯方式驅動4路LED。輸入電壓范圍為2.7V~5.5V,可為每路輸出提供約20mA的電流。該器件還具備熱管理系統特性,以保護任何輸出引腳所出現的短路。其嵌入的軟啟動電路可防止啟動時的電流過沖。AAT3113利用簡單串行控制接口對芯片進行使能、關斷和32級對數刻度亮度控制。

而基于電感的DC/DC芯片的應用范圍最廣泛,應用包括掌上電腦、相機、備用電池、便攜式儀器、微型電話、電動機速度控制、顯示偏置和顏色調整器等。主要的技術包括:BOOST結構電流模式環路穩定性分析,BUCK結構電壓模式環路穩定性分析,BUCK結構電流模式環路穩定性分析,過流、過溫、過壓和軟啟動保護功能,同步整流技術分析,基準電壓技術分析。

除了基本的電源變換芯片,電源管理芯片還包括以合理利用電源為目的的電源控制類芯片。如NiH電池智能快速充電芯片,鋰離子電池充電、放電管理芯片,鋰離子電池過壓、過流、過溫、短路保護芯片;在線路供電和備用電池之間進行切換管理的芯片,USB電源管理芯片;電荷泵,多路LDO供電,加電時序控制,多種保護,電池充放電管理的復雜電源芯片等。

特別是在消費類電子方面。比如便攜式DVD、手機、數碼相機等,幾乎用1塊-2塊電源管理芯片就能夠提供復雜的多路電源,使系統的性能發揮到最佳。

電子設備所具備的功能越多、性能越高,其結構、技術、系統就越復雜,傳統的模擬技術電源管理ic滿足系統整體電源管理要求的難度也就越大,價格也更加昂貴。數字控制器的核心主要由三個特殊模塊組成:抗混疊(anti-aliasing)濾波器、模數轉換器(ADC)和數字脈沖寬度調制器(DPWM)。為了達到與模擬控制架構同等的性能指標,必須具備高分辨率、高速和線性ADC以及高分辨率、高速PWM電路設計。ADC分辨率必須能夠滿足誤差小于輸出電壓允許變化的范圍,所需的輸出電壓紋波越小,則對ADC的分辨率要求越高。同時,由于抗混疊濾波器以及流水線式或SAR模數轉換器會引入環路延時,所以我們迫切需要高采樣速率的模數轉換器。模擬控制器對所產生的可能脈沖寬度存在固有的限制,而DPWM可以產生離散和有限的PWM寬度集。從穩定狀態下的輸出角度看,只可能有一組離散的輸出電壓。由于DPWM是反饋環路中的一部分,因此DPWM的分辨率必須足夠高才能使輸出不顯示眾所周知的極限周值。不顯示任何極限周值所需的最少位數取決于拓撲、輸出電壓和ADC分辨率。同時,系統的環路穩定性由PI或者PID控制器來調整。

未來,電源管理芯片前景廣闊。通過開發新的工藝、封裝和電路設計技術,還會有性能更加出色的器件誕生,它們能提高電源功率密度、延長電池壽命、減少電磁干擾、增強電源和信號完整性以及提高系統的安全性,助力世界各地的工程師實現創新。