電源管理概念、分類、工作方式詳解-KIA MOS管

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。

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，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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