電源管理晶元

電源管理集成電路（IC）是一種晶元，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、感測器等負載使用的電源。

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

電源管理的範圍相對較廣，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，電源管理晶元的分類也包括這些方面，例如線性電源晶元、電壓基準晶元、開關電源晶元、LCD驅動晶元、LED驅動晶元、電壓檢測晶元、電池充電管理晶元、柵極驅動器、負載開關、寬頻隙開關等。

未來，電源管理晶元前景廣闊。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。

主要電源管理晶元有的是雙列直插晶元，而有的是表面貼裝式封裝，其中HIP630x系列晶元是比較經典的電源管理晶元，由著名晶元設計公司Intersil設計。它支持兩/三/四相供電，支持VRM9.0規範，電壓輸出範圍是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。

電源管理晶元的應用範圍十分廣泛，發展電源管理晶元對於提高整機性能具有重要意義，對電源管理晶元的選擇與系統的需求直接相關，而數字電源管理晶元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。電源管理晶元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。電源管理晶元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晶元。而為了提高電路的密度，晶元的特徵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晶元擊穿。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，一般會採用降壓型開關電源。

同時，許多電子系統還需要高於供電電壓的電源，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，這就需要在雜訊、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晶元，結合極少的外圍元件，就能夠實現。可見，發展電源管理晶元是提高整機性能的必不可少的手段。

電源管理的範疇比較廣，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，電源管理晶元的分類也包括這些方面，比如線性電源晶元、電壓基準晶元、開關電源晶元、LCD驅動晶元、LED驅動晶元、電壓檢測晶元、電池充電管理晶元等。下面簡要介紹一下電源管理晶元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，要求佔用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，那麼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，常應用基於電容的開關電源晶元，也就是通常所說的電荷泵(Charge Pump)。基於電荷泵工作原理的晶元產品很多，比如AAT3113。這是一種由低雜訊、恆定頻率的電荷泵DC/DC轉換器構成的白光LED驅動晶元。AAT3113採用分數倍(1.5×)轉換以提高效率。該器件採用並聯方式驅動4路LED。輸入電壓範圍為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利用簡單串列控制介面對晶元進行使能、關斷和32級對數刻度亮度控制。

而基於電感的DC/DC晶元的應用範圍最廣泛，應用包括掌上電腦、相機、備用電池、攜帶型儀器、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晶元，電源管理晶元還包括以合理利用電源為目的的電源控制類晶元。如NiH電池智能快速充電晶元，鋰離子電池充電、放電管理晶元，鋰離子電池過壓、過流、過溫、短路保護晶元；在線路供電和備用電池之間進行切換管理的晶元，USB電源管理晶元；電荷泵，多路LDO供電，加電時序控制，多種保護，電池充放電管理的複雜電源晶元等。

特別是在消費類電子方面。比如攜帶型DVD、手機、數碼相機等，幾乎用1塊-2塊電源管理晶元就能夠提供複雜的多路電源，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、系統就越複雜，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)和數字脈衝寬度調製器(DPWM)。為了達到與模擬控制架構同等的性能指標，必須具備高解析度、高速和線性ADC以及高解析度、高速PWM電路設計。ADC解析度必須能夠滿足誤差小於輸出電壓允許變化的範圍，所需的輸出電壓紋波越小，則對ADC的解析度要求越高。同時，由於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採樣速率的模數轉換器。模擬控制器對所產生的可能脈衝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。由於DPWM是反饋環路中的一部分，因此DPWM的解析度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於拓撲、輸出電壓和ADC解析度。同時，系統的環路穩定性由PI或者PID控制器來調整。