Power Management-电源管理IC

Yuming电子知识系列PowerManagementPowerManagementPowerManagementPowerManagement电源管理电源管理ICIC电源管理电源管理YumingSunJul2011Jul,[e-mail]¾基础知识础知识¾LDORegulator¾SwitchingRegulator(DC-DC)¾ChP（电荷泵）¾ChargePump（电荷泵）¾W-LEDDriver¾VoltageReference(电压参考/基准源)¾VoltageReference(电压参考/基准源)¾ResetIC(VoltageDetector)¾MOSFETDriver¾PWMController电电子子零零件件技技术术与与应应用用基础知识基础知识基础知识基础知识BACKPortableDevice电电子子零零件件技技术术与与应应用用便携电子产品常用电源电电子子零零件件技技术术与与应应用用电力资源-电源管理IC-用电设备电IC：5、3.3、2.5、1.8、1.2、0.9V等；电力资用电设电源管理马达：3、6、12V；LED灯背光；资源设备理ICLCD屏：12、-5V；ACDCRectifier/整流：PWMIC（3843或VIPER12）AC：110、220VDCCtLDO升降压DCDCChP等Rectifier/整流：PWMIC（3843或VIPER12）、开关电源DC或电池DCConverter：LDO、升降压DC-DC、ChargePump等。ResetIC或电压检测：如808、809。电池管理：保护IC、充电管理（4054）、FuelGauge等。电池管理保护、充电管理）、g等DC或电池ACInverter/逆变：forCCFL……电电子子零零件件技技术术与与应应用用（比喻：电荷-水、电流-水流、电容-水桶、电压-水压。）便携产品电源系统设计要求便携产品电源设计需要系统级思维在开发由电池供电的设备时诸如便携产品电源设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、MP3、PDA、PMP、DSC等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构等同样在系统设计中也要从节省电池能量的角度出发多功率分配架构等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗当用户的系统不需要昀大处能力时处器就会进入电源消耗较消耗。即当用户的系统不需要昀大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。¾从便携式产品电源管理的发展趋势来看，需要考虑这样几个问题：1）电源设计必须要从成本、性能和产品上市时间等整个系统设计来考虑；）便携产日趋小巧薄型化必需考虑电源系统体积小重量轻的问2）便携产品日趋小巧薄型化，必需考虑电源系统体积小、重量轻的问题；3）选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗、突破散热瓶颈，延长电池寿命；4）选用具有新技术的新产品电源芯片，将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。电电子子零零件件技技术术与与应应用用追求。电源管理芯片选用思考z选用生产工艺成熟、品质优秀的生产厂家产品；z选用工作频率高的芯片以降低成本周边电路的应用z选用工作频率高的芯片，以降低成本周边电路的应用成本；z选用封装小的芯片以满足便携产品对体积的要求z选用封装小的芯片，以满足便携产品对体积的要求；z选用技术支持好的生产厂家，方便解决应用设计中的问题问题；z选用产品资料齐全、样品、DEMO申请容易，能大量供货的芯片供货的芯片；z选用产品性能/价格比好的芯片。zz…电电子子零零件件技技术术与与应应用用便携产品电源电路的电容器功能Cin：滤去来自电源的噪音。Cout：降低输出纹波和噪音，同时它能在电感器充电时提供所有的输出电流，因此输出电容器的容量要求足够大，犹如一水库水库。CBY：旁路电容器通常加在参考源的输出端，可使总噪音降低CBY：旁路电容器通常加在参考源的输出端，可使总噪音降低5-10倍。这个节点的阻抗比较高，必须使用低泄漏的电容器，以免其负载将参考电压拉低。CF：反馈电容器提供一个超前的正相移（fzf），抵消回路中由极点产生的某些滞后负相移（fpf）C介入同时形成一个极由极点产生的某些滞后负相移（fpf）。Cf介入同时形成一个极点（fpf），一个零点（fzf）。电电子子零零件件技技术术与与应应用用关于陶瓷电容器（MLCC）•陶瓷电容器通常是便携电子产品电路设计首选，因为它们价格低而且故障模式是开路，相比之下钽电容器比较昂贵价格低而且故障模式是开路，相比之下钽电容器比较昂贵且其故障模式是短路，有着火风险。•输出电容器的等效串联电阻(ESR)会影响其稳定性，陶瓷电容器具有较低的ESR，大概为几毫欧量级，受到负载瞬变冲击几乎没有ESR“阶跃”电压而钽电容器ESR在100变冲击几乎没有ESR“阶跃”电压，而钽电容器ESR在100毫欧量级。•陶瓷电容器无极性、体积小。电电子子零零件件技技术术与与应应用用半导体生产工艺：CMOS、BipolarzIC的制造有90%是采用CMOS或Bipolar这两种工艺，贝岭同时有这两种生产工艺。时有这两种生产工艺。电电子子零零件件技技术术与与应应用用传统的电压调节器–变压器傳統的變壓器架構以錫鋼片或是磁蕊材料組成可隔離初級和次級主要是•傳統的變壓器架構，以錫鋼片或是磁蕊材料組成，可隔離初級和次級，主要是靠變壓器儲能定壓，再經整流、濾波等，將交流轉換成直流輸出。•原有電流量受限制。原有電流量受限制。电电子子零零件件技技术术与与应应用用传统的电压调节器–变压器-基本结构电电子子零零件件技技术术与与应应用用LDORegulatorLDORegulatorLDORegulatorLDORegulator低压差线性稳压器低压差线性稳压器LowDropout低压差低压差BACKLDO概述¾三端稳压器：是传统的稳压产品，压差大，功耗大。如7805。端稳压器是传统的稳压产品压差大功耗大如¾LDO（LowDropout/低压差）线性稳压器：由于其本身存在DC无开关电压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压它昀大的优点是使用方便压转换，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它昀大的优点是使用方便而简单、低成本；它的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。¾超低压差(VLDO)稳压器：输入电压范围接近1V，其压差低于100mV，甚至30mV，内部基准接近0.5V。当采用1.5V主电源并需要降压至1.2V为DSP内核供电时开关稳压器就没有明显的优势了实际上开关稳压器不能用内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。VLDO的输出纹波可低于1mVPP。将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器就可容易地确保低纹波。¾LDO的四大要素：压差Dropout、噪音Noise、共模/纹波抑制比（PSRR）、静态电流Iq是LDO的四大关键参数，产品设计师按产品负载对电性能的要求结合四大要素来选择LDO。在手机上用的LDO要求尽可能小的噪音（纹波）以及高的电电子子零零件件技技术术与与应应用用素来选择LDO。在手机上用的LDO要求尽可能小的噪音（纹波）以及高的PSRR，在没有RF的便携式产品需求静态电流小以及压差小的LDO。LDO的内部结构¾线性稳压器使用在其线性区域内运行的晶体管或FET，从应用的输入电压中减去超额的电压，产生输入电压中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压。¾LDO的内部拓朴结构：¾LDO的内部拓朴结构：由作为电流主通道的MOSFET（或晶体管）、作反向保护的肖特基二极管作输出电流大小检测的基二极管、作输出电流大小检测的敏感电阻，过温/过压保护电路，输出电压取样反馈电路、比较放大器基准电源使能电路等几部分器、基准电源、使能电路等几部分构成，新的LDO还包括开机系统自检的PowerOK等。电电子子零零件件技技术术与与应应用用LDO应用实例电池电随着时间会减少z电池电压随着时间会减少。zLDO(VR)输出稳定的3V电压。zLDO功能:降压、稳压。此CPU工作电压为3V，+-10%。BL8555电电子子零零件件技技术术与与应应用用Parameter-1z主要参数:1输入电压Vi1、输入电压Vin2、输出电压Vout3、输出电流Iout4电压差DropoutVoltage4、电压差DropoutVoltage5、纹波抑制比PSRR、Iq、Noise…6、封装VinVoutSWz使用条件：Vin=Vdrop+Vout（即Vin-Vout=Vdrop）zDropoutVoltage（压差）LDO的电压差是指Vin-Vout的昀小值。zPSRR-PowerSupplyRippleRejection纹波抑制率以上为LDO原理模型-水桶SW：LDO内的MOSFET或晶体管LDO的电压差是指VinVout的昀小值。压差越小，效率越高，电池寿命则越长。PSRR=△Vin/△Vout=20lg(Vin/Vout)用来衡量输入电压的变化对输出电压的影响程度。LDO的输入源往往有许多干扰信号存在，PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。般通信设备如手机要求60dB@1KHz以上即表示输入变动1V时输出只变动1mV一般通信设备如手机要求60dB@1KHz以上，即表示输入变动1V时输出只变动1mV。zShutdown即ON/OFF（LDO开关控制/关断）也叫使能（Enable），一般是低电平时LDO关断.电电子子零零件件技技术术与与应应用用如SII的S-1131B:B--表示正逻辑（高电平有效）A--表示负逻辑（低电平有效）基本上每款LDO都有A和B两种型号,一般建议选用B型号。Parameter-2zIq（QuiescentCurrent静态电流）:即空载时IC本身消耗的电流。（一般测试条件为：Vin=Vout(S)+1V,ON/OFF端子为ON，无负载）。但Iq越低，则PSRR也越难提高。q静流z电源正常输出(PowerGoodOutput)zNoise噪声：指输出电流中含有的交流成份？源常输出(p)主要用于监控输出电压大小(是否在稳压范围内)并输出一电平值.比如MCHP的TC1303(LDO+DC/DC)就带有PGPIN.对于TC1303C和TC1304，降压稳压器输出电压和LDO输出电压都被监控。如果任一个输出不在稳压范围内，PG均将输出低电平。仅当VOUT1和VOUT2都在PG电压阈值内时PG才输出高电平VOUT1和VOUT2都在PG电压阈值内时，PG才输出高电平。PG输出信号是基于降压稳压器输出电压（VOUT1）、LDO输出电压（VOUT2）或两个输出合并而产生的。一旦处于监控中的输出电压高于正常电压阈值（典型值为VOUTX的94%），就会产生约262ms的固定延时。当监控输出电压降到稳压范围以外时，PG的下降阈值为输出电压会产约的固定延时当控输出压降到稳压范围以外时的下降阈值为输出压的92%（典型值）。PG输出信号拉高到输出电压，指示电源正常；PG输出信号拉低，指示输出不在稳压范围.电源正常电路消耗的静态电流小于10μA。如果监控输出电压降到低于电源正常阈值，电源正常输出将跳变为低状态当检测到输出电压下降时电源正常监控电路有165μs的延时这有助于提出将跳变为低状态。当检测到输出电压下降时，电源正常监控电路有165μs的延时。这有助于提高电源正常输出的抗噪声性能，避免电压或负载瞬态变化时的误触发PG信号。z低通态电阻晶体管:电电子子零零件件技技术术与与应应用用LDO内置低通态电阻晶体管Æ优点：LowDropout（低压差），输出电流大。参考SI